基于二元介质模型的礁灰岩本构方程的构建方法技术

本发明专利技术公开了基于二元介质模型的礁灰岩本构方程的构建方法，包括以下内容：将描述礁灰岩内部的介质分成胶结元和摩擦元，基于均匀化理论，通过破损率由均匀化方法得到单元体的应力应变关系，该单元体的应力应变的表达式分别由胶结元和摩擦元的应力和应变表示。胶结元的应力应变关系假定为多孔弹性的，由固体基质以及孔隙组成，胶结的作用由弹性参数的取值进行反应，由初始加载段的应力应变进行参数确定。摩擦元是弹塑性的，然后通过均匀化方法得到细观尺度上的弹性参数以及塑性的应力应变表达式。本发明专利技术方法建立了细观到宏观地描述礁灰岩单向加载直到破坏全过程的本构方程，实现全面而详细地了解礁灰岩的力学特性，描述礁灰岩的应变软化现象。岩的应变软化现象。岩的应变软化现象。

【技术实现步骤摘要】
基于二元介质模型的礁灰岩本构方程的构建方法


[0001]本专利技术涉及礁灰岩本构方程
，尤其是涉及一种基于二元介质模型应用的非线性弹塑性的礁灰岩本构方程的构建方法。

技术介绍

[0002]随着海洋资源的快速开采，在许多岩土工程的施工和设计过程中常常遇到复杂的礁灰岩地层。由于礁灰岩特殊的沉积环境和自身的生物质特点，礁灰岩在形成过程中具有多孔性、非均质性以及不同程度的胶结特性。在加载过程中，礁灰岩内部的胶结会逐渐破坏，从而导致试样在整体上呈现应变软化现象。当礁灰岩作为基础设施的基础或地基时，必须全面掌握礁灰岩的力学特性和破坏机理，而构建礁灰岩的本构方程不但有助于描述其力学变化规律，还有助于理解其破坏特性。对于礁灰岩的力学特性、沉积特征和剪切特性，已经开展了一些研究，比如在文献“Wan Z,Dai G,and Gong W.Full
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scale load testing of two large
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diameter drilled shafts in coral
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reef limestone formations.Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2018,77:1127
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1143.”中对马尔代夫的礁灰岩地层中的两个大直径的竖井进行了现场载荷试验，报道了在礁灰岩地层中3.2m直径和1.5m直径的掘进竖井灌浆前后O
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cell试验结果，试验结果表明灌浆后礁灰岩的承载力有很大提高，并且承载力都满足设计要求；又如在文献“Tang Q,Zhang J,Feng Y,et al.Numerical Simulation for Shallow Strata Stability of Coral Reef in the Southwest of Yongshu Reef(South China Sea).J.Ocean Univ.China,2018 17(4):763
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772.”中探讨了南海岛礁礁灰岩的浅层沉积特征，建立了用于数值模拟的地质模型，模拟结果表明礁灰岩的稳定性取决于礁灰岩的波动荷载以及地震区强度；再如在文献“Li D,Shi C,Ruan H,et al.Study on shear behavior of coral reef limestone
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concrete interface.Marine Georesources&Geotechnology,2022,DOI:10.1080/1064119X.2021.1906365.”中对不同礁灰岩与混凝土界面的胶结试样进行了多组直接剪切试验，探讨了礁灰岩与混凝土界面的形式、胶结特性对试样破坏特性的影响。
[0003]上述对礁灰岩开展的力学特性试验有助于了解和掌握礁灰岩的力学特性，但是当前针对礁灰岩的研究成果仍然很少，且仅是开展了特定的力学试验，缺少对礁灰岩本构方程的研究成果。为了详细的了解礁灰岩的力学特性并服务工程建设和设计，很有必要构建礁灰岩的本构方程，从而填补礁灰岩本构方程的研究空白。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供基于二元介质模型的礁灰岩本构方程的构建方法，建立细观到宏观地描述礁灰岩单向加载直到破坏全过程的本构方程，实现全面而详细地了解礁灰岩的力学特性，描述礁灰岩的应变软化现象。
[0005]本专利技术的主要构思是：礁灰岩成岩作用及后生演化作用独特，完全不同于常规的陆源沉积。礁灰岩孔隙类型复杂，为了便于分析问题，将填充不密实的胶结物简化为胶结特
性问题，将成岩颗粒之间填充不密实简化为孔隙率问题。存在于胶结物之间的孔隙，导致礁灰岩胶结强度差异大，存在于成岩颗粒之间的孔隙，进一步加剧了礁灰岩强度的离散性。基于以上的认识，为准确描述礁灰岩承载特性，将礁灰岩受力单元进行分解，并做出了如下假定：(i)在细观尺度上看作孔隙与基质的混合体，其中基质处于损伤状态，把细观损伤状态均匀化到代表性单元状态，就可以建立宏观的本构模型。根据礁灰岩的破坏机理以及微观结构分析，可知礁灰岩具有大孔隙分布以及很强的颗粒之间的胶结作用，因此可以采用二元介质的思想建立本构模型；(ii)按颗粒的大小，礁灰岩划分为不同的类型。分析试样孔隙分布特点可知：颗粒越大，孔隙分布越不均匀，从整个地层角度来看，颗粒
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孔隙均匀分布，故本文假定颗粒
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孔隙均匀分布；(iii)礁灰岩取样基本位于同一水平面，位置相对集中，礁灰岩试样胶结差异小。
[0006]本专利技术提供的基于二元介质模型的礁灰岩本构方程的构建方法，主要包括以下内容：
[0007]建立代表性单元体的应力应变关系。将描述礁灰岩内部的介质分成胶结元和摩擦元，基于均匀化理论，通过破损率由均匀化方法得到单元体的应力应变关系，该单元体的应力应变的表达式分别由胶结元和摩擦元的应力和应变表示。
[0008]胶结元的应力应变关系的确定。胶结元的应力应变关系假定为多孔弹性的，由固体基质以及孔隙组成，胶结的作用由弹性参数的取值进行反应，由初始加载段的应力应变进行参数确定；
[0009]胶结元的应力应变关系的确定。摩擦元是弹塑性的，在微观上假定为由固体土骨架以及孔隙组成的弹塑性多孔材料，然后通过均匀化方法得到细观尺度上的弹性参数以及塑性的应力应变表达式；摩擦元的应变增量分为弹性的与塑性的；
[0010]结构参数的确定。结构参数包括破损率以及局部应变系数，通过试错法选出最优参数，并给出表达式。
[0011]本专利技术提供的基于二元介质模型的礁灰岩本构方程的构建方法，包括以下内容：
[0012]建立代表性单元体的应力应变关系。基于均匀化理论得到代表性单元体的应力应变关系如下：
[0013][0014][0015]其中，σ
ij
、ε
ij
分别为代表性单元体的应力和应变，为分别为胶结元的应力和应变，分别为摩擦元的应力和应变；定义χ为破损率，表示摩擦元所占的体积率(体积破损率)，假定破损率为应变的函数。上标b、f依次表示该量为胶结元、摩擦元。
[0016]由式(1)和(2)得到，
[0017][0018][0019]其中χ0为当前破损率，和分别为胶结元和摩擦元的当前应力，和分
别为胶结元和摩擦元的当前应变。
[0020]胶结元和摩擦元的刚度矩阵分别用和表示，则可得到胶结元和摩擦元的应力应变关系分别为：
[0021][0022][0023]由式(1)～(6)得到
[0024][0025]引入局部应变系数C
ijkl
，它可以建立胶结元的应变和代表性单元体的应变之间的关系，且满足该式的增量形式为该式的增量形式为式中为当前的局部应变系数矩阵。将代入式(7)中的表达式，整理后得到
[0026][0027]考虑到当前的应力应变状态，整理式(8)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于二元介质模型的礁灰岩本构方程的构建方法，其特征在于，包括以下内容：建立代表性单元体的应力应变关系，基于均匀化理论得到代表性单元体的应力应变关系如下：系如下：其中，σ
ij
、ε
ij
分别为代表性单元体的应力和应变，为分别为胶结元的应力和应变，分别为摩擦元的应力和应变；定义χ为破损率，表示摩擦元所占的体积率，假定破损率为应变的函数；上标b、f依次表示该量为胶结元、摩擦元；由式(1)和(2)得到，由式(1)和(2)得到，其中χ0为当前破损率，和分别为胶结元和摩擦元的当前应力，和分别为胶结元和摩擦元的当前应变；胶结元和摩擦元的刚度矩阵分别用和表示，则可得到胶结元和摩擦元的应力应变关系分别为：应变关系分别为：由式(1)～(6)得到引入局部应变系数C
ijkl
，且满足该式的增量形式为该式的增量形式为式中为当前的局部应变系数矩阵；将代入式(7)中的表达式，整理后得到考虑到当前的应力应变状态，整理式(8)得到一般应力状态下的应力增量的表达式：2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，按照以下方法确定式(9)中涉及到的胶结元
的应力应变关系：胶结元的应力应变关系如下：其中K
b
、G
b
分别为胶结元的体变模量和剪切模量；在胶结元中，孔隙率为则固体基质占有的体积为由细观力学方法，可以得到胶结元的体积模量和剪切模量分别为胶结元的体积模量和剪切模量分别为式中K
s
、G
s
分别为礁灰岩基质的体积模量和剪切模量，α和β是参数，由夹杂理论得到，其中3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，按照以下方法确定式(9)中涉及到的摩擦元的应力应变关系：摩擦元的应变增量{dε}
f
分为弹性的{dε
e
}
f
与塑性的{dε
f
}
f
，表示如下{dε}
f
＝{dε
e
}
f
+{dε
f
}
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)摩擦元的弹性部分：摩擦元中的固体土骨架的弹性参数体变模量K
M
、剪切模量G
M
，采用与胶结元的相似的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘恩龙，何川，张永涛，陈培帅，罗会武，
申请(专利权)人：中交第二航务工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：