[發(fā)明專利]巖體二維細(xì)觀時效破裂冪函數(shù)型模型的構(gòu)建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611161852.4
• 申請日: 2016-12-15
• 公開（公告）號: CN106844847B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃書嶺;丁秀麗;李歡;鄔愛清;徐平;裴啟濤;高源;朱良韜
• 申請（專利權(quán)）人: 長江水利委員會長江科學(xué)院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 武漢開元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司42104
• 代理人: 潘杰,劉琳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工程巖體細(xì)觀時效破裂分析技術(shù)領(lǐng)域，具體地指巖體二維細(xì)觀時效破裂冪函數(shù)型模型的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

深部巖體工程開挖后的失穩(wěn)與破壞往往不是在開挖后立刻發(fā)生的，一般都存在著明顯的變形破裂時效性和災(zāi)變(巖爆、大變形等)的滯后性，嚴(yán)重危害工程的施工安全與長期運營。目前，在細(xì)觀方面的時效力學(xué)研究成果相對較少。《深埋大理巖破裂擴展時間效應(yīng)的顆粒流模擬》一文對錦屏大理巖破裂的時間效應(yīng)進行了試驗和二維數(shù)值分析(巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，Vol.30 No.10：1989-1996)；《錦屏大理巖蠕變損傷演化細(xì)觀力學(xué)特征的數(shù)值模擬研究》一文應(yīng)用二維蠕變細(xì)觀力學(xué)模型對錦屏大理巖短期和長期強度特征進行了數(shù)值研究(巖土力學(xué)，2013，Vol.34 No.12：3601-3608)。這類模型是以指數(shù)型構(gòu)建驅(qū)動應(yīng)力和裂紋擴展速度間的關(guān)系，用來描述巖石細(xì)觀層面上的時效破裂，適用于應(yīng)力和裂紋擴展速度之間符合指數(shù)表達方式的這類巖體。另外，這類模型還存在如下不足之處：(1)顆粒間的剪切破裂準(zhǔn)則是一條與平行粘結(jié)正應(yīng)力平行的水平直線，也即這種剪切破裂準(zhǔn)則與平行粘結(jié)正應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，只要平行粘結(jié)剪切應(yīng)力大于或等于固定平行粘結(jié)剪切破裂強度，顆粒間即可發(fā)生剪切破裂，無法體現(xiàn)巖體中不同平行粘結(jié)正應(yīng)力具有不同平行粘結(jié)剪切破裂強度的客觀事實；(2)沒有考慮粘結(jié)力矩的差異作用對接觸破壞的影響，將粘結(jié)力矩的貢獻度對不同巖性的影響均視為一致；(3)對于應(yīng)力和裂紋擴展速度之間不合符指數(shù)表達方式的巖體，這類模型缺乏適應(yīng)性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述缺陷，提出了一種巖體二維細(xì)觀時效破裂冪函數(shù)型模型的構(gòu)建方法，該模型結(jié)構(gòu)包括考慮彎矩貢獻因子的巖體細(xì)觀顆粒粘結(jié)應(yīng)力二維模式、考慮彎矩貢獻因子的細(xì)觀顆粒粘結(jié)時效劣化衰減的二維冪函數(shù)型模式、考慮彎矩貢獻效應(yīng)且?guī)Ю旖刂瓜薜哪?庫倫細(xì)觀顆粒粘結(jié)時效破裂準(zhǔn)則和考慮阻尼效應(yīng)的細(xì)觀顆粒線性接觸二維模型。本發(fā)明適應(yīng)于應(yīng)力和裂紋擴展速度之間的關(guān)系符合冪函數(shù)型的這類巖體，對于平面狀態(tài)下這類深部巖體工程的圍巖長期穩(wěn)定性預(yù)測、評價以及優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支持。

本發(fā)明的目的是通過如下措施來達到的：巖體二維細(xì)觀時效破裂冪函數(shù)型模型的構(gòu)建方法，其特殊之處在于，包括如下步驟：

步驟1：設(shè)定巖體內(nèi)部細(xì)觀顆粒粘結(jié)接觸的幾何參數(shù)量，包括顆粒粘結(jié)面積和顆粒粘結(jié)慣性矩，R^a、R^b分別為二維粘結(jié)接觸a端的顆粒半徑、b端的顆粒半徑，為巖體細(xì)觀顆粒粘結(jié)直徑乘數(shù)或半徑乘數(shù)，在二維情況下，粘結(jié)單位厚度為1時的顆粒粘結(jié)面積A和粘結(jié)慣性矩I分別通過公式(2)、公式(3)來確定：

其中：為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)半徑，為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)直徑乘數(shù)或半徑乘數(shù)，A為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)面積，I為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)慣性矩；

步驟201：利用巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)時效衰減劣化的初始時間步長增量Δt，通過冪函數(shù)形式計算巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)時效衰減劣化的直徑由公式(4)來確定；

其中：為考慮彎矩貢獻因子的二維粘結(jié)法向應(yīng)力，為判斷巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)開始時效劣化衰減時的應(yīng)力閥值，為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)的拉伸強度，為考慮彎矩貢獻因子的二維粘結(jié)應(yīng)力比，β₁、β₂分別為巖體細(xì)觀顆粒粘結(jié)時效劣化的第一控制參數(shù)、第二控制參數(shù)，為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)隨時間劣化衰減的直徑，為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)未衰減時的直徑，Δt為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)時效衰減劣化的時間增量；

步驟202：根據(jù)步驟201中的公式(4)，設(shè)定細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)直徑的時效衰減因子β，見公式(5)：

其中：A′、I′、分別表示為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)隨時間劣化衰減的粘結(jié)直徑、粘結(jié)半徑、粘結(jié)面積、粘結(jié)慣性矩、粘結(jié)直徑乘數(shù)，A、I、為巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)未衰減時的粘結(jié)直徑、粘結(jié)半徑、粘結(jié)面積、粘結(jié)慣性矩、粘結(jié)直徑乘數(shù)；

步驟203：根據(jù)步驟1中的公式(1)～公式(3)以及步驟202中的公式(5)，設(shè)定巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)幾何參數(shù)時效劣化衰減模式，在平面二維情況下，巖體細(xì)觀顆粒二維粘結(jié)直徑隨著時間增加而不斷劣化衰減，粘結(jié)單位厚度為1時的顆粒粘結(jié)的面積和慣性矩也隨著時間增加而不斷劣化衰減，分別見公式(6)、公式(7)；