本發(fā)明涉及巖體力學(xué)與巖體工程研究領(lǐng)域，具體涉及一種真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、深部地下工程通常處于極其復(fù)雜的環(huán)境中，工程建設(shè)中會(huì)遇到許多安全問題，尤其是真三維應(yīng)力和滲透壓多場耦合環(huán)境中巖體結(jié)構(gòu)面長期穩(wěn)定性問題。國內(nèi)外學(xué)者提出了許多考慮滲透壓和時(shí)效等因素的巖體本構(gòu)模型用于地下工程穩(wěn)定性分析和災(zāi)害預(yù)測，但多數(shù)模型是基于應(yīng)力-滲壓耦合下的壓縮模型，這些模型未考慮巖體破裂過程中比奧系數(shù)和滲透系數(shù)的變化。適用于結(jié)構(gòu)面剪切破裂分析的模型相對較少，缺乏真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合結(jié)構(gòu)面破壞判據(jù)和破壞劣化表征。此外，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)面時(shí)效模型通?；趥鹘y(tǒng)的彈性元件、塑性元件和粘性元件組成而成，其表征功能相對簡單；缺乏考慮非線性剪切時(shí)效損傷、真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合效應(yīng)和加速變形階段的分?jǐn)?shù)階模型。

2、針對上述不足，本發(fā)明提出真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型?？紤]真三維應(yīng)力加載、比奧系數(shù)變化和時(shí)效劣化的耦合效應(yīng)對剪切破裂演化的影響，構(gòu)建真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型和數(shù)值化方法，對為地下富水區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面工程的穩(wěn)定性分析和工程災(zāi)害預(yù)測具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型的構(gòu)建方法，分析巖體在真三維應(yīng)力、滲透壓和時(shí)效作用下的剪切破裂特征，為巖石工程開挖設(shè)計(jì)和災(zāi)害防治提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。

2、為了達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型的構(gòu)建方法，其步驟包括：

3、步驟1：開展不同應(yīng)力水平和滲流壓力的真三維剪切時(shí)效試驗(yàn)，獲取巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、變形和破壞特征；

4、步驟2：建立真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型；

5、步驟3：構(gòu)建真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型的數(shù)值化方法；

6、步驟4：進(jìn)行真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型的數(shù)值驗(yàn)證和富水區(qū)結(jié)構(gòu)面隧洞滲透災(zāi)變分析。

7、所述步驟1中，開展不同法向、側(cè)向應(yīng)力和滲流壓力的真三維剪切時(shí)效試驗(yàn)，獲取巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、變形和破壞特征；

8、所述步驟2中，基于彈塑性力學(xué)、損傷力學(xué)理論、有效應(yīng)力原理和三維強(qiáng)度準(zhǔn)則，構(gòu)建真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型，具體步驟如下：

9、巖體結(jié)構(gòu)面的真三維應(yīng)力加載剪切損傷ds表示為：

10、

11、式中：g0為巖體結(jié)構(gòu)面的初始剪切剛度，gs為巖體結(jié)構(gòu)面的損傷剪切剛度；

12、

13、式中dτ和dγ分別為巖體結(jié)構(gòu)面多級(jí)加載剪切應(yīng)力增量和剪切應(yīng)變增量；

14、由有效應(yīng)力原理計(jì)算有效應(yīng)力：

15、

16、式中：τ'為有效剪應(yīng)力，σ'n為有效法向應(yīng)力，σ'p為有效側(cè)向應(yīng)力，μ和pw分別為比奧系數(shù)和滲透壓；

17、巖體結(jié)構(gòu)面比奧系數(shù)μ是與剪切損傷ds相關(guān)的函數(shù)：

18、μ＝f(ds)+cs???????????????(4)

19、式中cs為曲線常數(shù)；

20、采用巖體結(jié)構(gòu)面的真三維應(yīng)力加載剪切損傷ds來描述巖體結(jié)構(gòu)面的滲透系數(shù)k在剪切破壞過程中的演化：

21、k＝g(ds)??????????????????(5)

22、真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效元件模型由四個(gè)部分組成：第一部分為彈性元件，第二部分由彈性元件和粘性元件并聯(lián)構(gòu)成的粘彈性體，第三部分是分?jǐn)?shù)階元件，第四部分由分?jǐn)?shù)階元件與塑性元件并聯(lián)構(gòu)成的分?jǐn)?shù)階粘塑性體，四部分模型采用串聯(lián)方式用于描述巖體結(jié)構(gòu)面的粘彈塑性剪切力學(xué)行為；

23、第一部分的彈性模型本構(gòu)關(guān)系為：

24、

25、第二部分的彈粘性模型本構(gòu)關(guān)系為：

26、

27、

28、第三部分的分?jǐn)?shù)階模型本構(gòu)關(guān)系為：

29、

30、

31、第四部分的分?jǐn)?shù)階粘塑性模型本構(gòu)關(guān)系為：

32、

33、由于四部分模型采用串聯(lián)方式連接，真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效模型的本構(gòu)關(guān)系為：

34、

35、

36、建立巖體在三維空間中的真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合剪切屈服函數(shù)fs：

37、

38、式中：cjp為結(jié)構(gòu)面的粘聚力，為結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角，p、σρ為效果力，k是與有效側(cè)向應(yīng)力系數(shù)；

39、當(dāng)有效剪切應(yīng)力τ'小于有效起裂應(yīng)力τ'ci時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)面只發(fā)生彈性變形；當(dāng)τ'大于或等于τ'ci時(shí)，巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)生時(shí)效變形；

40、

41、當(dāng)有效剪切應(yīng)力τ'大于有效損傷應(yīng)力τ'cd時(shí)，此時(shí)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)入加速階段，巖體結(jié)構(gòu)面的變形速率逐漸增大，其內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)展最終導(dǎo)致破壞；

42、

43、所述步驟3中，真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型的數(shù)值化方法：

44、根據(jù)彈性應(yīng)力增量公式得：

45、

46、其中，gs和kn為剪切剛度和法向剛度，δγ和δεn為剪切和法向應(yīng)變增量；

47、模型由彈性體、粘彈性體、分?jǐn)?shù)階元件和分?jǐn)?shù)階粘塑性體組成，總應(yīng)變?chǔ)疟硎緸椋?/p>

48、ε＝εe+εve+εv+εvp???(18)

49、式中：εe、εve、εv、εvp分別為彈性體、粘彈性體、分?jǐn)?shù)階元件和分?jǐn)?shù)階粘塑性體的應(yīng)變矩陣；

50、彈性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

51、

52、

53、其中，上標(biāo)n和o表示更新后應(yīng)力和更新前應(yīng)力；

54、粘彈性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

55、

56、

57、分?jǐn)?shù)階元件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

58、

59、

60、分?jǐn)?shù)階粘塑性體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

61、

62、

63、巖體的真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合剪切屈服函數(shù)fs和張拉屈服函數(shù)ft：

64、

65、ft＝σ′t-σ'n??(28)

66、根據(jù)剪切屈服函數(shù)fs、張拉屈服函數(shù)ft和塑性流動(dòng)法則確定剪切塑性勢函數(shù)gs和張拉塑性勢函數(shù)gt：

67、

68、gt＝σ′t???(30)

69、綜合式(17)-(26)，更新后應(yīng)力表示為：

70、

71、

72、

73、b＝g1g2((t+δt)α-tα)??(34)

74、

75、有效側(cè)向應(yīng)力向量σ'p垂直于有效剪應(yīng)力向量τ'和有效法向應(yīng)力向量σ'n，有效側(cè)向應(yīng)力向量σ'p表示為：

76、σ'p＝τ'×σ'n?(36)

77、結(jié)構(gòu)面上單元的有效側(cè)向應(yīng)力σ'p大小為單元上主應(yīng)力向量σi'(i＝1,2,3)在向量σ'p的方向上投影大小之和：

78、

79、所述步驟4中，真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型的數(shù)值驗(yàn)證和富水區(qū)結(jié)構(gòu)面隧洞滲透災(zāi)變分析：

80、通過對真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合多級(jí)剪切試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取強(qiáng)度、變形和破壞結(jié)果并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比；

81、對富水區(qū)的隧洞工程進(jìn)行滲透災(zāi)變分析，建立節(jié)理結(jié)構(gòu)面三維隧洞數(shù)值模型，應(yīng)用真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型進(jìn)行隧洞開挖模擬，分析結(jié)構(gòu)面圍巖在真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下的力學(xué)響應(yīng)。

82、本發(fā)明的有益效果為：

83、1、本發(fā)明建立真三維應(yīng)力-滲壓-時(shí)效耦合下結(jié)構(gòu)面剪切破壞本構(gòu)模型及數(shù)值化方法，可用于模擬分析深埋巖體在真三維應(yīng)力、滲透壓及時(shí)效耦合作用下力學(xué)特性的變化。

84、2、本發(fā)明建立的模型進(jìn)行二次開發(fā)編程后，可應(yīng)用于富水區(qū)地下巖體工程開挖設(shè)計(jì)和災(zāi)害防治。