本發(fā)明涉及巖體力學(xué)性能與工程研究領(lǐng)域，具體涉及一種真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型及數(shù)值化方法。

背景技術(shù)：

1、隨著地下巖體工程深度不斷增加，地應(yīng)力通常處于復(fù)雜的真三維應(yīng)力狀態(tài)。在深埋工程中巖體結(jié)構(gòu)面剪切破壞除了遭受剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力外，還受到較大側(cè)向應(yīng)力影響，且?guī)r體結(jié)構(gòu)面剪切破壞誘發(fā)工程災(zāi)害已成為深部巖體工程中常見(jiàn)的災(zāi)害類型。

2、剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則和力學(xué)模型是用于描述巖體在剪切載荷下破壞的判據(jù)和破壞演化。先前研究的剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則和力學(xué)模型大多基于直剪試驗(yàn)結(jié)果和mohr–coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則建立的，未考慮側(cè)向應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)面力學(xué)特性的影響，也未考慮真三維應(yīng)力狀態(tài)下剪切破壞過(guò)程中結(jié)構(gòu)面劣化效應(yīng)，難以合理地反映處于真三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面剪切破壞條件。目前，真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切破裂過(guò)程中剪切參數(shù)確定方法和劣化演化規(guī)律尚不清楚，缺乏有效反映真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)特性劣化過(guò)程的本構(gòu)模型及其數(shù)值化方法。

3、針對(duì)上述不足，本發(fā)明提出一種真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型及數(shù)值化方法。根據(jù)真三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，提出適用于真三維應(yīng)力的剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則，并基于該準(zhǔn)則建立巖體結(jié)構(gòu)面剪切破裂過(guò)程中剪切模量g、粘聚力cjp、內(nèi)摩擦角和剪脹角ψjp等力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法。進(jìn)一步構(gòu)建考慮側(cè)向應(yīng)力和剪切參數(shù)劣化效應(yīng)的三維剪切劣化本構(gòu)模型，基于三維塊體離散元軟件開(kāi)發(fā)相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算程序，為巖體結(jié)構(gòu)面地下工程災(zāi)變預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型及數(shù)值化方法，分析真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切力學(xué)行為，為深部巖體結(jié)構(gòu)面工程災(zāi)變預(yù)測(cè)提供理論依據(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)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型及數(shù)值化方法，其步驟包括：

3、s1、對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面開(kāi)展峰前和峰后循環(huán)加卸載真三軸剪切試驗(yàn)，獲取巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、變形和破壞特征；

4、s2、基于真三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)面剪切破裂過(guò)程中剪切模量g的計(jì)算方法；

5、s3、基于mohr–coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，建立考慮側(cè)向應(yīng)力效應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則；

6、s4、建立巖體結(jié)構(gòu)面剪切破裂過(guò)程中粘聚力cjp和摩擦角的計(jì)算方法；

7、s5、建立巖體結(jié)構(gòu)面破裂過(guò)程中剪脹角ψjp的計(jì)算方法；

8、s6、構(gòu)建考慮側(cè)向應(yīng)力和剪切參數(shù)劣化效應(yīng)的三維剪切劣化本構(gòu)模型；

9、s7、建立真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型的離散元連續(xù)與非連續(xù)數(shù)值化方法；

10、s8、通過(guò)對(duì)真三軸剪切室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)值模擬，驗(yàn)證真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型及其數(shù)值化方法；

11、s9、真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型及其數(shù)值化方法對(duì)復(fù)雜地層隧洞進(jìn)行開(kāi)挖響應(yīng)分析。

12、所述步驟s1中，對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面開(kāi)展不同法向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力的峰前和峰后循環(huán)加卸載真三軸剪切室內(nèi)試驗(yàn)，獲取巖體結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度、變形和破壞特征；

13、所述步驟s2中，基于步驟s1中的真三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，確定真三軸循環(huán)加卸載剪切試驗(yàn)中剪切模量g的計(jì)算方法，通過(guò)每個(gè)循環(huán)加卸載中的剪切應(yīng)力增量dτ與彈性剪切應(yīng)變?cè)隽恐葋?lái)進(jìn)行計(jì)算：

14、

15、所述步驟s3中，建立考慮側(cè)向應(yīng)力效應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則如下：

16、基于真三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果對(duì)mohr–coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則公式進(jìn)行修正，以考慮側(cè)向應(yīng)力對(duì)巖體剪切強(qiáng)度規(guī)律的影響，提出適用于真三維應(yīng)力的三維剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則，如下：

17、

18、其中τ為剪應(yīng)力，σn為法向應(yīng)力，σp為側(cè)向應(yīng)力，cjp為結(jié)構(gòu)面的粘聚力，為結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角，p為σp的效果力，σρ為剪切應(yīng)力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力，k是與側(cè)向應(yīng)力為0時(shí)抗剪強(qiáng)度相同的側(cè)向應(yīng)力；

19、所述步驟s4中，建立巖體結(jié)構(gòu)面剪切破裂過(guò)程中粘聚力cjp和摩擦角的計(jì)算方法如下：

20、三維剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則公式(2)的τ與σn曲線斜率為在真三軸循環(huán)加載剪切試驗(yàn)中，確定所有巖體結(jié)構(gòu)面的的最大和最小損傷剪切應(yīng)力τd與不同法向應(yīng)力σn之間的曲線斜率計(jì)算得到初始結(jié)構(gòu)面摩擦角的大??；根據(jù)和τd之間的關(guān)系，確定粘聚力cjp的計(jì)算方法：

21、

22、使用公式(3)獲得的cjp和剪切試驗(yàn)每個(gè)循環(huán)中的峰值τ計(jì)算結(jié)構(gòu)面摩擦角

23、

24、所述步驟s5中，建立結(jié)構(gòu)面剪切破裂過(guò)程中剪脹角ψjp的計(jì)算方法如下：

25、根據(jù)三維剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則和非關(guān)聯(lián)塑性流動(dòng)法則確定巖體剪切破裂過(guò)程中的結(jié)構(gòu)面膨脹角ψjp計(jì)算方法，由公式(2)得到的塑性勢(shì)函數(shù)g：

26、

27、根據(jù)塑性流動(dòng)法則計(jì)算剪切塑性應(yīng)變?cè)隽亢头ㄏ蛩苄詰?yīng)變?cè)隽?/p>

28、

29、其中λ是塑性因子，由公式(6)獲得膨脹角ψjp的計(jì)算公式：

30、

31、所述步驟s6中，構(gòu)建考慮側(cè)向應(yīng)力和剪切參數(shù)劣化效應(yīng)的三維剪切劣化本構(gòu)模型如下：

32、根據(jù)胡克定律，剪切應(yīng)力增量δτ和法向應(yīng)力增量δσn表達(dá)式如下：

33、

34、其中ks、kn分別為剪切剛度和法向剛度，δus和δun分別為剪切變形和法向變形增量；

35、根據(jù)三維剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則公式(2)，定義力學(xué)模型的三維滑移屈服函數(shù)fs如下：

36、

37、由巖體結(jié)構(gòu)面的法向應(yīng)力σn和抗拉強(qiáng)度σt定義巖體結(jié)構(gòu)面的三維張拉屈服函數(shù)ft如下：

38、ft＝σt-σn???(10)

39、所述步驟s7中，構(gòu)建真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型的連續(xù)與非連續(xù)數(shù)值化方法，具體步驟如下：

40、由公式(8)更新結(jié)構(gòu)面上的剪切應(yīng)力τ和法向應(yīng)力σn如下：

41、

42、其中τ(t+δt)和是在t+δt時(shí)刻的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力，τ(t)和是在t時(shí)刻的剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力；

43、在三維應(yīng)力空間中，假設(shè)剪應(yīng)力向量為τ＝(τx,τy,τz)和法向應(yīng)力向量為σn＝(nx,ny,nz)，側(cè)向應(yīng)力向量為σp＝(px,py,pz)。由于σp垂直于τ和σn，則向應(yīng)力向量σp表示為：

44、σp＝(px,py,pz)＝τ×σn＝(τynz-τzny,τznx-τxnz,τxny-τynx)?(12)

45、其中×表示向量叉積運(yùn)算，在結(jié)構(gòu)面上單元的主應(yīng)力向量σi(i＝1,2,3)與向量σp的夾角θi余弦值為：

46、

47、其中·表示向量點(diǎn)積運(yùn)算，||·||為向量的模，單元的主應(yīng)力向量σi(i＝1,2,3)與向量σp的方向上投影大小為：

48、

49、結(jié)構(gòu)面上單元的側(cè)向應(yīng)力σp大小為：

50、σp＝σp1+σp2+σp3??(15)

51、將剪切應(yīng)力、法向應(yīng)力公式(11)和側(cè)向應(yīng)力公式(15)代入剪切屈服函數(shù)公式(9)可得：

52、

53、當(dāng)公式(9)中的三維剪切屈服函數(shù)fs＝0時(shí)，結(jié)構(gòu)面將發(fā)生塑性屈服或者滑移，在巖體發(fā)生屈服或者滑移過(guò)程中，剪切位移會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生法向膨脹變形和法向應(yīng)力增加，根據(jù)剪脹角計(jì)算公式(7)和剪切應(yīng)力公式(11)更新法向應(yīng)力：

54、

55、其中:＝為賦值符號(hào)，ψjp表示結(jié)構(gòu)面的剪脹角；

56、當(dāng)公式(10)中的張拉屈服函數(shù)ft＝0時(shí)，結(jié)構(gòu)面將發(fā)生張拉屈服；此時(shí)法向應(yīng)力大小保持不變，即σn＝σt，剪切應(yīng)力為0；

57、所述步驟s8中，通過(guò)進(jìn)行真三軸剪切室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)值模擬，驗(yàn)證真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型及其數(shù)值化方法如下：

58、建立與試驗(yàn)試樣相同尺寸的數(shù)值計(jì)算模型，并劃分網(wǎng)格單元；

59、將數(shù)值模型施加邊界約束條件，采用應(yīng)力控制方式對(duì)模型施加法向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力，采用位移控制來(lái)施加剪切荷載；

60、根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果中得到的剪切力學(xué)參數(shù)演化，將其以表格形式賦予數(shù)值模型中的相應(yīng)材料參數(shù)；

61、采用fish函數(shù)監(jiān)測(cè)和記錄數(shù)值計(jì)算過(guò)程的應(yīng)力和應(yīng)變的變化，并對(duì)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；

62、所述步驟s9中，真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切劣化本構(gòu)模型及其數(shù)值化方法在復(fù)雜地層隧洞工程中應(yīng)用如下：

63、建立無(wú)結(jié)構(gòu)面和有結(jié)構(gòu)面兩種三維隧洞數(shù)值模型，并對(duì)隧洞網(wǎng)格單元進(jìn)行局部加密；

64、對(duì)無(wú)結(jié)構(gòu)面和有結(jié)構(gòu)面的三維隧洞模型施加相同的初始地應(yīng)力，應(yīng)用三維剪切劣化本構(gòu)模型進(jìn)行隧洞開(kāi)挖模擬，對(duì)比分析在相同初始地應(yīng)力下無(wú)結(jié)構(gòu)面和有結(jié)構(gòu)面模型的圍巖變形和破壞特征；

65、對(duì)三維結(jié)構(gòu)面隧洞模型施加不同方向的初始地應(yīng)力，應(yīng)用三維剪切劣化本構(gòu)模型進(jìn)行隧洞開(kāi)挖模擬，對(duì)比分析地應(yīng)力變化對(duì)含結(jié)構(gòu)面圍巖連續(xù)與非連續(xù)變形和破壞的影響。

66、本發(fā)明的有益效果為：

67、1、本發(fā)明提出考慮側(cè)向應(yīng)力效應(yīng)的三維剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則較好地反映真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度特征。

68、2、本發(fā)明提出剪切模量g、粘聚力cjp、內(nèi)摩擦角和剪脹角ψjp的計(jì)算方法可用于求解真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面剪切破裂演化過(guò)程中的力學(xué)參數(shù)。

69、3、本發(fā)明構(gòu)建考慮側(cè)向應(yīng)力和剪切參數(shù)劣化效應(yīng)的巖體結(jié)構(gòu)面三維剪切劣化本構(gòu)模型及離散元數(shù)值化方法，可用于模擬分析深部巖體結(jié)構(gòu)面連續(xù)與非連續(xù)變形和破壞特征。

70、4、本發(fā)明建立的模型基于三維離散元軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)后，可應(yīng)用于深部巖體結(jié)構(gòu)面工程災(zāi)變預(yù)測(cè)和分析。