基于三维形貌参数建立节理抗剪强度弱化本构模型的方法与流程

1.本发明涉及基于三维形貌参数建立节理抗剪强度弱化本构模型的方法。


背景技术：

2.在节理剪切试验中，剪切应力-剪切位移过程曲线往往呈现出明显的峰值后区形态，以往的研究主要集中在节理面的形貌特征对节理峰值抗剪强度的影响方面，而对于节理峰后抗剪强度弱化规律的研究较少。与此同时，在极个别能表征节理峰后抗剪强度本构模型表达式中，模型参数大多没有明确的物理力学意义，无法准确地反映节理在剪切过程中其强度参数的弱化规律。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对现有岩石节理本构模型的不足，提供基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，该方法建立的岩石节理抗剪强度弱化本构模型参数物理力学意义明确，可以直观地反映节理面在剪切过程中产生的劣化，能准确地预测节理的峰后抗剪强度。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
5.基于三维形貌参数建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，包括以下步骤：
6.s1、含天然岩石节理面的人工节理试样制备
7.对天然岩石节理面采用非接触拍照式三维蓝光扫描仪进行形貌扫描，通过对扫描得到的点云数据进行后处理得到节理面的三维数值模型，将数值模型导入3d打印机中，采用高分子材料pla打印出节理面模具，将节理面模具放入模具盒内并用硬块垫高至模具盒垂直方向的中间位置，并浇筑出节理试样的下盘，然后再将节理试样的下盘放入模具盒内浇筑出节理试样的上盘，以确保节理试样的上下盘完全耦合。
8.s2、人工节理试样剪切试验
9.对人工节理试样进行不同法向应力、不同剪切位移的直剪试验，以获得节理的抗剪强度数据，不同法向应力的设置是通过材料的单轴抗压强度来确定的，不同剪切位移的设置是通过前期直剪试验估计的峰值剪切位移和残余剪切位移来确定的，剪切试验的剪切速率设置为0.002mm/s，以保证剪切过程处于拟静力状态下，同时也为及时停止试验提供了充足的反应时间。
10.s3、每个试样剪切试验完成后，扫描节理面的三维形貌，采用基于grassilli形貌参数的三维粗糙度参数对三维形貌特征进行量化表征，其中a0为最大接触面积比、为最大视倾角、c为粗糙度参数，基于此拟合出剪切过程中三维形貌的劣化规律为：
[0011][0012]
式中和分别代表峰值和峰后剪切位置的节理三维粗糙度参数，f(δ,σn)代表与剪切位移δ和法向应力σn有关的衰减函数，其拟合方程为：
[0013][0014]
式中l为节理的长度，σn为节理上的法向应力，σc为材料的单轴抗压强度，d、n1、n2为与节理试样相关的参数，分别代表衰减系数、应力指数、位移指数。
[0015]
s4、节理面三维形貌参数与节理抗剪强度间的关系通过方程表示为：
[0016][0017]
式中为节理基本摩擦角，jmc为节理吻合系数，k1为峰前损伤系数，代表峰值处的节理面三维粗糙度参数，k2为比例系数。
[0018]
k1、k2均与法向应力σn相关，因此存在系数k使得：
[0019][0020]
式中：a、b为与节理面剪切试验相关的经验系数。
[0021]
由于所研究节理初始完全耦合，因此假定在峰值处节理面吻合系数jmc为1，则有：
[0022][0023]
根据峰后剪切过程中节理表面形貌的劣化规律及其与抗剪强度弱化间的关系构建基于三维形貌的节理抗剪强度弱化本构模型，表达式为：
[0024][0025]
式中jmcr为节理在剪切峰后处的吻合系数。
[0026]
本发明的有益效果是：基于本方法建立的模型参数物理力学意义明确，可以直观地反映节理面在剪切过程中产生的劣化，并能准确地预测节理的峰后抗剪强度，可为数值模拟软件提供可靠的岩石节理模型，对于准确评估工程岩体的安全与稳定具有重要的理论研究意义和较高的工程应用价值。
附图说明
[0027]
图1为通过曲面投影到平面的方式获得到节理面的三维数值模型图；
[0028]
图2为通过三维数值模型导入3d打印机采用强度高且耐磨的高分子材料pla作为打印原材料打印出节理面模具图；
[0029]
图3为采用高强石膏作为岩石模拟材料进行浇筑的制备试样图；
[0030]
图4为节理面三维粗糙度参数随峰后剪切位移的变化趋势折线图；
[0031]
图5为不同峰后剪切位移下节理的吻合系数的曲线图；
[0032]
图6为基于三维形貌的节理抗剪强度弱化模型中即可计算不同法向应力下节理的峰后抗剪强度，将计算值与试验值进行比较的曲线图。
具体实施方式
[0033]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0034]
一种基于三维形貌建立岩石节理抗剪强度弱化本构模型的方法，s1、人工节理试样制备
[0035]
a、对天然岩石节理面采用的是非接触拍照式三维蓝光扫描仪进行形貌扫描，扫描前需先将节理面表面清扫干净，再喷上一层薄薄的显像剂，并贴上标记点；
[0036]
b、利用geomagic后处理软件对扫描得到的原始数据进行点云数据自动拼接、数据优化、点云融合获得合成的点云数据，将合成的点云数据封装成网格曲面，并通过曲面投影到平面的方式获得到节理面的三维数值模型，如图1所示；
[0037]
c、将节理面的三维数值模型导入3d打印机中，采用强度高且耐磨的高分子材料pla作为打印原材料打印出节理面模具，如图2所示；
[0038]
d、采用高强石膏作为岩石模拟材料进行浇筑，通过调配，将水灰比选为0.33，该水灰比下的石膏材料强度高，稠度合适浇筑，先将3d打印的节理面模具放入立方体试模内浇筑出节理试样的下盘，然后再将浇筑好的节理试样下盘放入试模内浇筑出上盘，以确保节理试样的上下盘完全耦合，制备的试样如图3所示，人工节理试样的基本物理力学参数如表1所示；
[0039]
表1
[0040][0041]
s2、人工节理试样剪切试验
[0042]
a、如图5所示，选用rmt-150c数控式电伺服试验机上进行，试验机的主要性能指标如下：垂直液压缸最大出力为1000kn，活塞行程为50mm；水平液压缸最大出力为500kn，活塞行程为50mm；变形速率范围0.0001～1mm/s，加载速率范围0.01～100kn/s；
[0043]
b、直剪试验设置了3个法向应力等级：3、5、8mpa，定义以峰值剪切位移为起点往后的剪切位移为峰后剪切位移，通过前期试验发现当节理试样剪切至峰后5mm处时，节理的抗
剪强度基本达到了残余值，因此在每个法向应力等级下设置了5个剪切位移终点：峰值剪切位移、峰后0.5mm、1.5mm、3mm、5mm；
[0044]
c、试验按峰后5mm到峰值剪切位移的顺序进行，剪切位移终点在峰后的试验只需在试验过程中记录下峰值点的位置来算出终点的位置，而剪切位移终点在峰值处的试验则需通过之前的试验情况和剪切曲线的变化趋势来大致判断终点的位置，剪切时的速率设置为0.002mm/s，保证了剪切过程处于拟静力状态下，同时也提供了充足的反应时间；
[0045]
d、通过试验曲线得到节理在各法向应力下不同剪切位移处的抗剪强度和剪胀角如表2中所示,由于在剪胀过程的同时节理面上会发生磨损破坏，使得剪胀角不断发生变化，因此剪胀角采用下式中的增量形式表示，通过剪胀曲线的切线斜率求取:
[0046][0047]
式中：dv为垂直位移增量，du为水平位移增量。
[0048]
表2
[0049][0050]
s3、每个试样剪切试验完成后，用细毛刷将表面疏松的碎屑、颗粒清理掉，扫描剪切后的节理面三维形貌，采用基于grassilli形貌参数的三维粗糙度参数对三维形貌特征进行量化表征，节理面三维粗糙度参数随峰后剪切位移的变化趋势如图4所示。
[0051]
剪切过程中三维形貌的劣化规律表示为：
[0052][0053]
式中和分别代表峰值和峰后剪切位置的节理三维粗糙度参数，f(δ,σn)代表与剪切位移δ和法向应力σn有关的衰减函数，其拟合方程为：
[0054][0055]
式中l为节理的长度，σn为节理上的法向应力，σc为材料的单轴抗压强度，d、n1、n2为与节理试样相关的参数，分别代表衰减系数、应力指数、位移指数。
[0056]
为便于分析，通过令峰值处的三维粗糙度参数的值为1，将不同法向应力下的三维粗糙度参数变化趋势进行归一化处理，如表3所示。
[0057]
表3
[0058][0059]
采用最小二乘法对试验数据进行拟合，可以得到d、n1、n2依次为54、0.3、0.7。
[0060]
s4、节理面三维形貌参数与节理抗剪强度间的关系通过方程表示为：
[0061][0062]
式中为节理基本摩擦角，jmc为节理吻合系数，k1为峰前损伤系数，代表峰值处的节理面三维粗糙度参数，k2为比例系数。
[0063]
k1、k2均与法向应力σn相关，因此存在系数k使得：
[0064][0065]
式中：a、b为与节理面剪切试验相关的经验系数。
[0066]
由于所研究节理初始完全耦合，因此假定在峰值处节理面吻合系数jmc为1，则有：
[0067][0068]
根据试验结果计算出不同法向应力下k的值，通过拟合得到经验系数a、b的值分别为1.3、-0.24。
[0069]
根据峰后剪切过程中节理表面形貌的劣化规律及其与抗剪强度弱化间的关系构建基于三维形貌的节理抗剪强度弱化模型，表达式为：
[0070][0071]
节理面在剪切峰值处的吻合系数jmc为1，并且在同一法向应力下系数k不变，因此节理在剪切峰后处的吻合系数jmcr可以表示为：
[0072][0073]
式中：i
p
和ir分别代表峰值和峰后剪切位置的节理剪胀角。
[0074]
计算出不同峰后剪切位移下节理的吻合系数如图5所示，判断jmcr与峰后剪切位移δ之间存在指数函数关系，表达式下式所示，通过拟合得到拟合参数k的值为-0.244。
[0075]
jmcr＝e
kδ
[0076]
将jmcr、k、f(δ,σn)及其相关的拟合参数代入基于三维形貌的节理抗剪强度弱化模型中即可计算不同法向应力下节理的峰后抗剪强度，将计算值与试验值进行比较，如图6所示，可以看出，通过模型计算的节理峰后抗剪强度与试验值吻合度较高，这说明基于节理面表面形貌特征及其与抗剪强度相关性建立的节理峰后抗剪强度弱化模型可以较好地反映节理峰后剪切段的弱化过程。
[0077]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。