岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法

技术特征：
1.岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：对人工结构面试样进行剪切试验，获取剪切应力-剪切位移曲线；将获取的剪切应力-剪切位移曲线分类为峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线及滑动破坏型剪切应力-剪切位移曲线，获取峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线中的剪切刚度k
s
、峰值应力τ
p
、残余应力τ
r
及滑动破坏型剪切应力-剪切位移曲线中的初始剪切刚度k
si
、峰值应力τ
p
、残余应力τ
r
；其中，将残余应力τ
r
趋于稳定的值定义为极限强度τ
u
；建立剪切应力-剪切位移曲线的对应函数获取岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型其中，β、r、η为预设参数，且均大于0。2.根据权利要求1所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于，所述步骤s130的方法，具体操作包括：步骤s131、建立剪切应力-剪切位移曲线的统一本构模型的对应函数：其中，β、r、η、u为预设参数，且均大于0；步骤s132、当x＝0时，y＝0，且在x的正无穷极限下，y趋近于u，将变量u用极限强度τ
u
进行代替，得到岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型其中，β、r、η为预设参数，且均大于0。3.根据权利要求1或2所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于，所述步骤s130之后，还包括步骤s140、基于已知的剪切应力-剪切位移曲线获取峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统一本构模型及滑动破坏型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统一本构模型4.根据权利要求3所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于，当基于已知的剪切应力-剪切位移曲线获取峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统一本构模型时，所述步骤s140的方法，包括如下步骤：基于已知的剪切应力-剪切位移曲线及试验数据，得到极限强度τ
u
取值；峰值点前的试验数据满足公式
①
:τ＝k
si
δ
r
；对等式
①
两边取对数，得到公式
②
：lnτ＝rlnδ lnk
si
；令将代入至公式
②
，得到公式
③
：y＝rx z；将峰前阶段剪切试验数据转化为lnτ-lnδ形式，然后进行线性拟合，拟合直线的斜率为参数r，截距为参数lnk
si
，获取得到参数r和k
si
的取值。5.根据权利要求4所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其
特征在于，当基于已知的剪切应力-剪切位移曲线获取峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统一本构模型时，所述步骤s140的方法，还包括如下步骤：通过公式得到公式
④
：将公式
④
等式两边分别取对数，得到公式
⑤
：将公式
⑤
等式两边取二次对数后简化为公式
⑥
：令则公式
⑥
变换成线性表达式的形式，将峰后阶段的试验数据经线性拟合后可获取得到参数β和η的取值；将τ
u
、r、k
si
、β、η取值分别代入至峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统一本构模型后，得到完整的峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统一本构模型表达式6.根据权利要求5所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于，所述极限强度τ
u
＝39.802mpa，参数r和k
si
的值分别为1.2197和58.431，所述参数β和η分别为0.312和7.104。7.根据权利要求3所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于，当基于已知的剪切应力-剪切位移曲线获取滑动破坏型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统一本构模型时，所述步骤s140的方法，包括如下步骤：基于已知的剪切应力-剪切位移曲线及试验数据，得到极限强度τ
u
取值；令参数k
si
为0，公式简化为公式
⑦
：将公式
⑦
简化为公式
⑧
：将公式
⑧
等式两边取二次对数后简化为公式
⑨
：令将lnδ视为自变量x，lnβ视为截距z，参数η视为直线斜率，则公式
⑨
变换成线性表达式q＝ηx z的形式然后将峰后阶段的试验数据按照q与x的运算法则转变为q-x形式的数据，经线性拟合后反算获取得到参数β和η的取值；将τ
u
、k
si
、β、η取值分别代入至峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统
一本构模型后，得到完整的滑动破坏型剪切应力-剪切位移曲线对应的的非线性统一本构模型表达式8.根据权利要求1或2所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于：步骤s110之前，还包括步骤s100、制作人工结构面试样。9.根据权利要求1或2所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于：所述步骤s130之后，还包括步骤s150、将结构面剪切试验数据代入至岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型中，验证岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的有效性。10.根据权利要求9所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其特征在于：通过方程及验证岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的有效性，其中，τ
i,test
和τ
i,model
分别为试验结果和模型结果，τ
ave
为各试验数据的平均值，n为试验结果的数据个数，r2是n组实验结果与模型结果相关度的统计度量，rmse是试验结果和模型结果之间差异程度的度量。

技术总结
本发明公开了一种岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法，其包括如下步骤：对人工结构面试样进行剪切试验，获取剪切应力-剪切位移曲线；获取峰值剪切型剪切应力-剪切位移曲线中的剪切刚度k


技术研发人员：林杭 谢世杰 胡盛斌 周天忠 钟有信 刘宏伟 刘保华 曹日红 汪亦显 赵延林 陈怡帆 向纯双 钟火弟 宋茂
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.08.23
技术公布日：2022/11/29