[發(fā)明專利]一種考慮凍融循環(huán)損傷的節(jié)理剪切強度的確定方法

有效

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• 申請日: 2019-11-25
• 公開（公告）號: CN110987662B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）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

本發(fā)明公開一種考慮凍融循環(huán)損傷的節(jié)理剪切強度的確定方法，針對寒區(qū)巖體節(jié)理的復雜性，本發(fā)明方法深入分析了節(jié)理連通率與剪切強度的關(guān)系，基于室內(nèi)試驗提出了剪切強度參數(shù)隨節(jié)理連通率變化的計算公式，便于精確計算復雜節(jié)理的剪切強度。本發(fā)明基于節(jié)理試樣的凍融試驗和直剪試驗，建立的剪切強度參數(shù)損傷演化模型，進一步推導出改進的剪切強度計算公式，此計算公式同時考慮了凍融循環(huán)的損傷累積和節(jié)理連通率的影響，可深入分析凍融循環(huán)與節(jié)理連通率耦合作用對剪切強度參數(shù)的劣化特性，根據(jù)后續(xù)試驗結(jié)果，得出改進計算公式的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)較高的吻合程度，表明了改進準則的合理性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮凍融循環(huán)損傷的節(jié)理剪切強度的確定方法。

背景技術(shù)

天然巖體中賦存的節(jié)理在凍融循環(huán)作用下引起巖石微觀損傷、凍脹碎裂以及破壞失穩(wěn)等劣化現(xiàn)象，被認為是誘發(fā)寒區(qū)地質(zhì)災害的主要原因之一。在溫度交替變化作用下，節(jié)理內(nèi)蘊藏的水分會經(jīng)歷凍融過程，凍融產(chǎn)生的周期性凍脹力引起節(jié)理裂隙不斷擴展，最終導致巖體失穩(wěn)。目前，許多學者對此展開了大量的理論探索及試驗研究。一方面是考慮凍融作用對巖石宏觀力學性質(zhì)影響，如：M.H.Ghobadi等在相關(guān)的研究中討論了凍融循環(huán)作用巖石各項物理力學參數(shù)特性的影響(Experimental Studies on the Effects of CyclicFreezing–Thawing,Salt Crystallization,and Thermal Shock on the Physical andMechanical Characteristics of Selected Sandstones,Rock MechanicsRockEngineering)；吳安杰等在相關(guān)的研究中分別分析了巖石的各項力學參數(shù)與凍融損傷的關(guān)系(凍融循環(huán)作用下泥質(zhì)白云巖力學特性及損傷演化規(guī)律研究.巖土力學)。另一方面是從微觀及理論出發(fā)，將傳統(tǒng)的損傷力學引入凍融損傷領(lǐng)域，研究巖石凍融損傷機制及其表征方法，如：賈海梁等根據(jù)不同的數(shù)學模型建立了巖石凍融損傷模型，并通過后期試驗驗證了所提出模型的的適用性(凍融循環(huán)作用下飽和砂巖損傷擴展模型研究.巖石力學與工程學報)；Lai等將損傷理論方法應用于凍融損傷場中，分析了凍融損傷與巖石試樣應變軟化的相關(guān)規(guī)律(Yield criterion and elasto-plastic damage constitutive model forfrozen sandy soil,International Journal of Plasticity)。劉泉聲等研究了凍融條件下巖體力學性能的演化并得出了相關(guān)的損傷模型(巖體凍融疲勞損傷模型與評價指標研究.巖石力學與工程學報)。

雖然目前有關(guān)于巖石凍融損傷機制的研究，但是關(guān)于不同連通率節(jié)理在凍融環(huán)境下力學特性的劣化，尤其是節(jié)理抗剪力學特性損傷演化機制的研究成果較少，而節(jié)理抗剪力學性能對巖體工程的穩(wěn)定性往往起至關(guān)重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種考慮凍融循環(huán)損傷的節(jié)理剪切強度的確定方法，解決現(xiàn)有寒區(qū)巖土工程多節(jié)理且存在凍融循環(huán)損傷的條件，巖體剪切強度難以預測的技術(shù)難點。

本發(fā)明這種考慮凍融循環(huán)損傷的節(jié)理剪切強度的確定方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)節(jié)理試樣的連通率變化與剪切強度參數(shù)之間的關(guān)系，構(gòu)建計算公式；

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

S3、根據(jù)損傷統(tǒng)計理論，節(jié)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(shù)之比，推導得出黏聚力和內(nèi)摩擦角損傷變量D_c和與損傷力F之間的本構(gòu)關(guān)系；