一种裂隙岩石动态压剪损伤本构模型构建方法

本发明属于岩体工程领域，具体涉及一种裂隙岩石动态压剪损伤本构模型构建方法。

背景技术：

1、深部地下采矿、隧道掘进、地下洞室建设等工程场景中，岩体普遍承受爆破冲击、岩爆、地震等动态荷载作用，且天然岩体中大量存在节理、裂隙、孔洞等宏微观缺陷，实际应力状态多为压缩与剪切共存的复杂应力状态。准确描述含缺陷岩石在动态压剪荷载下的力学行为与损伤演化规律，是深部岩体动力稳定性评价与灾害防控的核心理论基础。

2、现有岩石动态本构模型大多针对单轴压缩荷载下的完整岩石建立，无法准确表征压剪应力状态下的岩石力学响应；少数针对压剪荷载的本构研究也多聚焦于完整岩体，未考虑天然岩体中普遍存在的宏微观缺陷对损伤演化的调控作用。同时，现有损伤本构模型多仅考虑细观微裂纹的损伤累积，无法同时兼顾宏观预制缺陷的初始损伤效应与加载过程中细观微损伤的演化，导致模型对含缺陷岩石动态压剪力学行为的预测精度不足，难以满足深部地下工程岩体稳定性分析的工程需求。

3、有鉴于此，有必要提供一种裂隙岩石动态压剪损伤本构模型构建方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种裂隙岩石动态压剪损伤本构模型构建方法，能够同时考虑微裂纹损伤演化与宏观缺陷的初始损伤效应，准确表征不同剪压比、不同缺陷倾角下裂隙岩石的动态应力应变响应。

2、为实现以上发明目的，本发明提供一种裂隙岩石动态压剪损伤本构模型构建方法，包括如下步骤：

3、a) 通过分离式霍普金森压杆（shpb）对含裂隙倾斜棱柱岩石试样进行冲击试验，获取不同试件倾角、不同裂隙倾角下的轴向应力-应变曲线、剪切应力-应变曲线与应变率数据；

4、b) 采用标准线性固体（sls）模型描述未损伤岩石的粘弹性动态力学行为，该模型由胡克弹性单元与麦克斯韦粘弹性单元并联构成；

5、c) 基于恒应变率加载条件，推导得到未损伤岩石的应力-应变本构关系；

6、d) 引入等效应变和等效应力概念，将压剪应变和压剪应力统一为单一等效变量，假设岩石微元强度服从weibull随机分布，推导得到微裂纹萌生扩展对应的损伤变量

df；

7、e) 基于griffith裂纹扩展能量准则，计算预制裂隙在压剪应力场中释放的弹性应变能，结合岩石单元总弹性应变能，推导得到宏观裂隙对应的初始损伤变量

df；

8、f) 基于lemaitre应变等效原理，基于微裂纹损伤变量

df和宏观裂隙损伤变量

df，构建复合损伤变量

dc，表征岩石在加载过程中的总损伤程度；

9、g) 将复合损伤变量

dc引入未损伤岩石的标准线性固体本构关系，分别建立轴向压缩方向与剪切方向的动态损伤本构方程；

10、h) 以试验实测的动态应力-应变曲线为基准，采用非线性最小二乘法拟合获取模型参数，对比模型预测结果与试验数据，验证本构模型的准确性与可靠性。

11、具体地，步骤b)中所述标准线性固体模型的应力关系满足并联元件应变相等、应力叠加的原则，未损伤介质的总应力为胡克单元应力与麦克斯韦单元应力之和；

12、进一步具体地，在步骤c)中所述恒应变率加载条件下，未损伤岩石的本构表达式为：

13、

14、其中，

σ(

t)为

t时刻的动态应力，为恒定应变率，

e1为胡克单元的弹性模量，

e2为麦克斯韦单元中弹性元件的弹性模量，为麦克斯韦单元的松弛时间，表达式如下：

15、

16、其中，为黏壶的粘性系数。

17、进一步具体地，步骤d）中所述步骤包括：

18、a) 所述等效应变

εeq基于平面应变假设推导，统一表征轴向压缩应变与剪切应变的共同作用，表达式为：

19、

20、其中，

σx为压缩应力，

e为岩石的弹性模量，

μ为岩石的泊松比，

θ表征试样的倾斜程度。

21、b) 所述等效应力

σeq的计算表达式为：

22、

23、c) 基于weibull分布的微观损伤变量

df，通过统计加载过程中破坏微元的占比得到，具体表达式为：

24、

25、

26、其中，

f0和

m为weibull分布参数，

a为常数。

27、进一步具体地，步骤e)中所述宏观裂隙损伤变量

df的计算基于裂纹扩展释放的弹性应变能与单元总弹性应变能的等效关系，表达式为：

28、

29、

30、其中，

a为宏观裂隙长度，

α为宏观裂隙倾角，

tf为试样厚度，

v为试样体积。

31、进一步具体地，步骤f)中所述复合损伤变量

dc基于lemaitre应变等价原理构建，表达式为：

32、

33、进一步具体地，步骤g)中轴向压缩方向与剪切方向分别采用对应方向的粘弹性参数，得到所述两个方向的动态损伤本构方程：

34、

35、

36、其中，下标

x表示轴向压缩方向的材料参数，下标

xy表示剪切方向的材料参数；为轴向应变率，为剪切应变率。

37、进一步具体地，步骤h)中本构模型参数通过非线性最小二乘法拟合获取。

38、采用上述技术方案，本发明的有益效果如下：

39、1.本发明同时考虑原生宏观裂隙初始损伤与动荷载产生的细观微裂纹损伤，构建复合损伤变量，真实反映天然含裂隙岩体损伤演化规律，克服现有模型仅单一考虑微损伤的缺陷；

40、2.引入等效应力、等效应变描述压剪耦合应力状态，分别建立轴向、剪切双向动态损伤本构，解决传统单轴压缩本构无法表征压剪共存工况力学响应的问题；

41、3.基于标准线性固体粘弹性模型搭建基础本构，能够准确体现岩石动态加载的应变率效应与粘弹性变形特征；

42、4.依托shpb动态压剪试验即可获取试验数据，通过非线性最小二乘拟合快速标定模型参数，理论曲线与试验结果匹配度高，计算精度可靠；

43、5.模型可量化分析裂隙倾角、裂隙长度、试样倾角等几何参数对岩石动态力学性能的影响，能够直接服务深部地下工程岩体动力稳定性分析与灾害防控。