本發(fā)明實(shí)施例涉及巖石力學(xué)，尤其涉及一種基于微結(jié)構(gòu)張量的深部層狀巖石裂縫擴(kuò)展判斷方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、層狀巖石是巖土工程經(jīng)常遇到的一種各向異性巖石，例如板巖、片巖、砂巖和頁(yè)巖在隧道工程和油氣資源開采中較為常見。巖石中的裂縫擴(kuò)展會(huì)顯著降低隧道圍巖穩(wěn)定性，同時(shí)可以增加巖層滲透性，因此，研究巖石的斷裂行為對(duì)于巖土工程具有重要意義。已有研究表明在天然裂縫、層理弱面和應(yīng)力環(huán)境共同影響下，地下工程中巖體常常發(fā)生剪切破壞。由于具有天然裂縫的地下巖體主要受構(gòu)造應(yīng)力和自重產(chǎn)生的壓應(yīng)力作用，巖石內(nèi)部裂縫擴(kuò)展可能沿最大剪應(yīng)力方向以剪切滑移方式發(fā)生，這種斷裂以自相似的方式擴(kuò)展，在深部地層中十分普遍。

2、巖石裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則是巖石破壞理論中重要組成部分，對(duì)于層狀巖石，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其與各向同性巖石的斷裂特征有明顯的差異，其復(fù)雜的破壞機(jī)制給裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則建立帶來了困難。相較過去國(guó)內(nèi)外學(xué)者仍然針對(duì)層狀巖石的壓縮強(qiáng)度準(zhǔn)則、巴西劈裂強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行的大量探索，而對(duì)深部層狀巖石的各向異性裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則的研究尚少，如何理論上量化深部層狀巖石斷裂特征的各向異性依然是一個(gè)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于微結(jié)構(gòu)張量的深部層狀巖石裂縫擴(kuò)展判斷方法、裝置、設(shè)備及介質(zhì)。

2、本發(fā)明實(shí)施例第一方面提供了一種基于微結(jié)構(gòu)張量的深部層狀巖石裂縫擴(kuò)展判斷方法，所述方法包括：

3、基于層狀巖石微結(jié)構(gòu)張量的偏量和偏應(yīng)力張量確定層狀巖石的各向異性狀態(tài)參數(shù)a，a表征外荷載與材料組構(gòu)方向相互作用；

4、確定笛卡爾坐標(biāo)系下深部層狀巖石裂縫尖端的i型應(yīng)力強(qiáng)度因子ki和ii型應(yīng)力強(qiáng)度因子kii；

5、在kii>kiic-μki的情況下，確定所述深部層狀巖石裂縫將發(fā)生擴(kuò)展；

6、其中，kiic＝kiic0[1+kiic1·a+kiic2·(a)2]；μ＝μ0[1+μ1·a+μ2·(a)2]；

7、kiic0,kiic1,kiic2與μ0,μ1,μ2為材料參數(shù)，基于多組不同層理傾角的層狀巖石的ii型斷裂測(cè)試結(jié)果，采用數(shù)值逼近方法求取得到kiic0,kiic1,kiic2與μ0,μ1,μ2的最優(yōu)解。

8、可選地，所述方法還包括：基于下式計(jì)算單位化偏應(yīng)力張量dij：

9、

10、其中，偏應(yīng)力張量

11、深部層狀巖石裂縫尖端附近點(diǎn)的單元體上應(yīng)力張量為

12、

13、r表示裂縫尖端附近點(diǎn)的極坐標(biāo)半徑，t表示t應(yīng)力。

14、可選地，基于下式計(jì)算層狀巖石微結(jié)構(gòu)張量的偏量

15、

16、其中，偏微結(jié)構(gòu)張量δij被定義為當(dāng)i＝j(luò)時(shí)，δij＝1否則，δij＝0。

17、可選地，所述方法還包括：

18、基于以下公式和所述多組不同層理傾角的層狀巖石i型斷裂測(cè)試結(jié)果，采用數(shù)值逼近方法求取kⅰc0、kⅰc1、kⅰc2和δ對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解：

19、

20、其中，α表示測(cè)試結(jié)果中裂縫擴(kuò)展方向與層理方向夾角，kic表示測(cè)試結(jié)果中得到的純i型斷裂韌度，kⅰc0,kⅰc1,kⅰc2是材料參數(shù)，參數(shù)δ用于定量描述層狀巖石材料本身的初始各向異性程度。

21、可選地，基于層狀巖石微結(jié)構(gòu)張量的偏量和偏應(yīng)力張量確定層狀巖石的各向異性狀態(tài)參數(shù)a，包括：

22、基于以下公式計(jì)算材料的各向異性狀態(tài)參數(shù)a：

23、

24、其中，θ表示的層狀巖石荷載的最大主應(yīng)力方向與層理法線方向夾角。

25、本發(fā)明實(shí)施例第二方面提供了一種基于微結(jié)構(gòu)張量的深部層狀巖石裂縫擴(kuò)展判斷裝置，所述裝置包括：

26、第一確定模塊，用于基于層狀巖石微結(jié)構(gòu)張量的偏量和偏應(yīng)力張量確定層狀巖石的各向異性狀態(tài)參數(shù)a，a表征外荷載與材料組構(gòu)方向相互作用；

27、第二確定模塊，用于確定笛卡爾坐標(biāo)系下深部層狀巖石裂縫尖端的i型應(yīng)力強(qiáng)度因子ki和ii型應(yīng)力強(qiáng)度因子kii；

28、第三確定模塊，用于在kii>kiic-μki的情況下，確定所述深部層狀巖石裂縫將發(fā)生擴(kuò)展；

29、其中，kiic＝kiic0[1+kiic1·a+kiic2·(a)2]；μ＝μ0[1+μ1·a+μ2·(a)2]；

30、kiic0,kiic1,kiic2與μ0,μ1,μ2為材料參數(shù)，結(jié)合多組不同層理傾角的層狀巖石的ii型斷裂測(cè)試結(jié)果，采用數(shù)值逼近方法求取得到對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解。

31、可選地，所述裝置還包括：第一計(jì)算模塊，用于：

32、基于下式計(jì)算單位化偏應(yīng)力張量dij：

33、

34、其中，偏應(yīng)力張量

35、深部層狀巖石裂縫尖端附近點(diǎn)的單元體上的應(yīng)力張量為

36、

37、r表示裂縫尖端附近點(diǎn)極坐標(biāo)半徑，t表示t應(yīng)力。

38、可選地，所述裝置還包括：第二計(jì)算模塊，用于：

39、基于下式計(jì)算層狀巖石微結(jié)構(gòu)張量的偏量

40、

41、其中，偏微結(jié)構(gòu)張量δij被定義為當(dāng)i＝j(luò)時(shí)，δij＝1否則，δij＝0。

42、可選地，所述裝置還包括：

43、第三計(jì)算模塊，基于以下公式和所述多組不同層理傾角的層狀巖石i型斷裂測(cè)試結(jié)果，采用數(shù)值逼近方法求取kⅰc0、kⅰc1、kⅰc2和δ對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解：

44、

45、其中，α表示測(cè)試結(jié)果中裂縫擴(kuò)展方向與層理方向夾角，kic表示測(cè)試結(jié)果中得到的純i型斷裂韌度，kⅰc0,kⅰc1,kⅰc2是材料參數(shù)，參數(shù)δ用于定量描述層狀巖石材料本身的初始各向異性程度。

46、可選地，所述第一確定模塊，具體用于：

47、基于以下公式計(jì)算材料的各向異性狀態(tài)參數(shù)a：

48、

49、其中，θ表示的層狀巖石荷載的最大主應(yīng)力方向與層理法線方向夾角。

50、本發(fā)明實(shí)施例第三方面提供一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的基于微結(jié)構(gòu)張量的深部層狀巖石裂縫擴(kuò)展判斷方法。

51、本發(fā)明實(shí)施例第四方面提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的基于微結(jié)構(gòu)張量的深部層狀巖石裂縫擴(kuò)展判斷方法。

52、本發(fā)明實(shí)施例第五方面提供一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序/指令，該計(jì)算機(jī)程序/指令被處理器實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明第一方面所述的基于微結(jié)構(gòu)張量的深部層狀巖石裂縫擴(kuò)展判斷方法中的步驟。

53、本發(fā)明實(shí)施例中，為了更好地描述深部層狀巖石剪切滑移斷裂的各向異性行為，引入層狀巖石微結(jié)構(gòu)張量的偏量，并與偏應(yīng)力張量的聯(lián)合不變量構(gòu)造層狀巖石各向異性狀態(tài)參數(shù)，建立一個(gè)深部層狀巖石裂縫擴(kuò)展判斷方法，不但能夠描述深部層狀巖石在主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)條件下其原生各向異性對(duì)剪切滑移斷裂的影響，而且可以描述主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)造成的應(yīng)力誘發(fā)各向異性對(duì)深部層狀巖石剪切滑移斷裂強(qiáng)度的影響。