[發明專利]一種考慮凍融循環損傷的節理剪切強度的確定方法

有效

• 申請號: 201911167205.8
• 申請日: 2019-11-25
• 公開（公告）號: CN110987662B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 林杭;雷大星;謝世杰;陳怡帆;曹日紅;楊橫濤;汪亦顯;杜時貴
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01N3/24
• 分類號: G01N3/24;G01N3/06
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;林毓俊

1.一種考慮凍融循環損傷的節理剪切強度的確定方法，包括以下步驟：

S1、根據節理試樣的連通率變化與剪切強度參數之間的關系，構建計算公式；

S2、根據Lemaitre提出的經典損傷公式，定義黏聚力和內摩擦角損傷變量D′_C和并計算得出不同連通率節理試樣經歷凍融后的黏聚力和內摩擦角損傷變量D_c和然后以凍融循環前強度為初始強度狀態，以凍融循環后為損傷狀態，結合損傷力學理論和Mohr-Coulomb準則，得出凍融循環后節理試樣剪切強度τⁿ方程；

S3、根據損傷統計理論，節理試樣的損傷演化即為破壞微元體的增長演化過程，由凍融過程中被破壞微元體與微元體總數之比，推導得出黏聚力和內摩擦角損傷變量D_c和與損傷力F之間的本構關系；

S4、根據實驗監測數據，擬合得出節理內凍脹損傷力F(n)與凍融循環次數的關系表達式，然后根據F(n)的表達式，轉化S3步驟中黏聚力和內摩擦角損傷變量D_c和的表達式，再然后基于S2步驟中計算得出不同連通率節理試樣經歷凍融后的黏聚力和內摩擦角損傷變量D_c和確定轉化后表達式中模型參數a、m_c、和F_c、的計算表達式；

S5、聯立S2步驟中τⁿ方程、S4步驟中轉化后黏聚力和內摩擦角損傷變量D_c和的表達式以及表達式中模型參數a、m_c、和F_c、的計算表達式，和Mohr-Coulomb準則；得出考慮凍融循環損傷的節理剪強度的表達式；

所述的步驟S3中，推導得出節理剪切強度參數損傷變量D_c和與損傷力F之間本構關系的方法為：

S3.1將巖石試樣視為一種天然材料，其礦物組成和膠結作用各不相同，則可假定節理試樣由不同材料強度的微單元組成，總微元數為N；Weibull分布函數適用于微元損傷，因此假定節理試樣微元強度服從Weibull分布,其損傷概率密度函數可用損傷力F表示為：

S3.2在凍融循環作用下，節理試樣的損傷是由局部微元體不均勻變形破壞引起的，假設在任意損傷力區間[F,F+dF]內產生的微元數為NP(x)dx，當損傷力達到某一水平F時，則已經損傷破壞的微元總數為：

式中，N_f為破壞的微單元數量，N為微單元的總數；

S3.3由于節理試樣在凍融循環作用下，節理剪切強度會出現不同程度的損傷劣化，而剪切強度由剪切強度參數表征，剪切強度參數也會呈現損傷劣化，故則粘聚力和內摩擦角的損傷變量D_c和可定義為N_f與N之比，因此，聯立式(5)和(6)，則D_c和的方程式可分別表示為：

式中，m_c和F_c為節理粘聚力的Weibull分布參數，和為節理內摩擦角的Weibull分布參數；

由此得出的方程表示損傷變量D_c和與損傷力F之間的本構關系，但僅適用于不考慮多次循環，凍融損傷力F在整個過程中不變時，損傷本構方程才是靜態有效的；對于循環凍融損傷的整個變化動態過程，損傷狀態變量D_c和應與多次凍融循環的完整變化過程相結合

所述步驟S4中：得出凍脹損傷力F(n)與凍融循環次數的關系表達式的具體步驟為：

根據凍融循環條件下，節理試樣主要在凍脹力作用下出現宏觀裂紋并逐漸擴展，同時試樣剪切強度呈現明顯劣化，故凍融循環過程中凍脹力是導致的節理強度損傷的主要因素；因此，可將凍融循環過程中節理內的損傷力和凍脹損傷力視作近似等效；故采用進口薄膜壓力傳感器Flexiforce A201對整個凍融循環過程中凍脹損傷力進行監測，分別記錄下凍融循環第1次、第10次、第20次、第30次、第40次節理內最大凍脹損傷力；

傳感器記錄下的各凍融循環次數下最大凍脹損傷力，根據實驗數據顯示凍脹損傷力隨循環次數增加呈指數函數下降趨勢，通過擬合可得出節理內凍脹損傷力F(n)的表達式為：

式中：a為凍脹損傷力隨循環次數增加的變化系數，n為凍融循環次數，n≥1；

根據F(n)表達式轉換S3步驟中粘聚力和內摩擦角的損傷變量D_c和表達式的方法為：

將式(8)代入式(7)中，粘聚力和內摩擦角的損傷變量D_c和可以轉化為:

因此，當節理分布參數a、m_c、和F_c、一定時，則可計算出一般節理試樣在不同凍融循環次數下的損傷粘聚力和內摩擦角；

根據S2步驟中計算得出不同連通率節理試樣經歷凍融后的粘聚力和內摩擦角損傷變量D_c和確定轉換公式中參數的方法為：

根據S2步驟的剪切強度參數損傷變量，式(9)中節理試樣的參數a、m_c、和F_c、可分別計算得到，據此可得出(a/F_c)、m_c和的值；

對上述分布參數進行擬合，(a/F_c)、m_c和隨節理連通率增長均滿足指數型函數變化規律，采用Exponential函數對分布參數與節理連通率的關系進行歸一化處理，得出(a/F_c)、和m_c、與節理連通率的關系式為：

(a/F_c)＝1.897+1.623*exp(-λ/0.181) (10a)

m_c＝0.210+0.568*exp(-λ/0.266) (10b)