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专利号: 2019102506491
申请人: 中南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型,其特征在于,包括:S1、设定节理薄层细观单元体受荷即进入线弹性阶段,节理薄层细观单元体是各向同性的连续介质,细观单元体由无损状态转化为有损状态是瞬时完成的,且过程不可逆;

S2、基于Weibull分布函数,定义外荷阀值F*,得到细观单元体的破坏概率密度函数;

S3、基于流变模型中的力学元件,采用弹簧和摩擦片的组合模拟细观单元体受荷情况,得到剪切作用下节理的统计损伤本构模型;

S4、根据岩土材料受荷损伤后即变为损伤与未损伤两部分,确定外荷阀值F*,得到剪切变形过程节理的损伤演化模型和节理剪切变形损伤本构模型;

S5、确定所述节理剪切变形损伤本构模型形状参数m、尺度参数u0和屈服点位移参数us;

S6、将若干节理剪切试验数据代入节理剪切变形损伤本构模型中,验证得到的节理剪切变形损伤本构模型能够准确地模拟节理剪切全变形过程,并反映剪切过程的阶段性特点。

2.根据权利要求1所述的基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型,其特征在于,所述步骤S2中得到破坏概率密度函数的方法为:当某一阶段微元体所受载荷大于阀值F*时,岩石材料发生损伤,细观单元体的破坏概率密度函数P(F)为:其中,m,F0分别为Weibull分布形状参数和尺度参数。

3.根据权利要求1所述的基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型,其特征在于,所述步骤S3中节理的统计损伤本构模型为:S3.1、采用弹簧和摩擦片的组合模拟细观单元体受荷情况,节理薄层细观单元体在剪切过程中的力学响应看作是由刚度系数为k1i的弹簧以及刚度系数为k2i的弹簧摩擦片两部分元件并联组成;由于损伤部分与未损伤部分混杂在一起,即在变形过程中位移协调一致且均等于宏观剪切位移,假设P1si、P2si分别是两部分组成所受剪力,它们的总和等于细观单元体所受剪力Psi,因为两部分元件并联即位移相等,由受力关系知,当细观单元体位移u小于临界值us时,Psi=P1si+P2si=k1iu+k2iu;位移u大于临界值us时,细观单元体进入损伤状态,Psi=P2si=Pni tanφ,数值上Pni tanφ=k2ius;由于损伤与未损伤部分混杂在一起,由变形协调原理知两部分位移相等且均等于宏观剪切位移,所以单元体的位移临界值us即为节理的屈服点位移;当节理受到剪力Ps作用时,设节理单元总数目为N,此时已破坏的单元数目为Nf,材料的损伤就是由这些细观单元体的不断破坏引起的,则剪力可表示为:其中,u为剪切位移,us为屈服点位移,N表示细观微元体的总数,Nf为表示某一阶段已破坏的细观微元体数目;

S3.2、根据两弹簧并联后的刚度系数即为Psi-u图象线弹性阶段斜率,得到剪切面上剪力Ps为:Ps=(N-Nf)ksu+Nfk2ius

其中,ks=k1i+k2i,即剪切刚度;

S3.3、根据剪切面面积AN由已损伤面积ANf和尚未损伤部分A组成,得到损伤变量D为:S3.4、将步骤S3.1中的剪切面剪力表达式两边同时除以AN,并代入步骤S3.2中得到表观剪应力τ:τ=ksu(1-D)+k2iusD

其中,表观剪应力τ包括未损伤部分承担的τ*=ksu和损伤部分承担的τr=k2ius组成,则步骤S3.4中的表达式变成:τ=τ*(1-D)+τrD

S3.5、Weibull分布下损伤变量D为 结合表观剪应力τ得到节理的统计损伤本构模型:

4.根据权利要求1所述的基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型,其特征在于,所述步骤S4中得到剪切变形过程节理的损伤演化模型和节理剪切变形损伤本构模型的方法为:*

S4.1、采用某一应力状态时的有效应力与屈服点对应的剪应力τs的差值τ-τs度量细观微元体强度是否达到损伤状态:F-F*=τ*-τs=ksu-τs

S4.2、当F-F*≥0时, 对于屈服点在该点处有:

τs=ksus

S4.3、us为试样刚进入应变硬化阶段时对应的剪切位移,即屈服点位移,同理,Weibull参数F0表达为:F0=ksu0

S4.4、将步骤S4.1、S4.2和S4.3中的表达式代入方程中,得到剪切变形过程节理的损伤演化模型:

S4.5、将步骤S4.1、S4.2、S4.3和S4.4代入步骤S2中的细观单元体的破坏概率密度函数中,得到节理剪切变形损伤本构模型:

5.根据权利要求1所述的基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型,其特征在于,确定所述节理剪切变形损伤本构模型参数m、u0的方法为:根据节理面剪切变形破坏曲线在峰值强度点函数导数为零,可得:在峰值点处,将u=uf,τ=τf代入节理剪切变形损伤本构模型仍然成立,则将步骤S5.1代入节理剪切变形损伤本构模型,得到确定本构模型参数m,u0的计算公式:

6.根据权利要求1所述的基于应力差确定屈服点的节理剪切全过程损伤本构模型,其特征在于,确定所述节理剪切变形损伤本构模型参数us的方法为:选取试验数据位于峰值前区的处于线弹性阶段的数据,拟合得到线弹性阶段的斜率,即剪切刚度ks;

在坐标系中画出参考线τ=ksu,计算实测数据值的剪切应力值τ实测与相应剪切位移u所对应的参考线上τ参考的差值,差值记为τ*;

在坐标系中画出τ*-u图像与基准线τ*=0,从图像上直观地读出反弯点即为所求屈服点,屈服点坐标对应的u即为模型参数us。