一种考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法，包括：开展室内岩石单轴压缩试验，获取岩石弹性变形应力

【技术实现步骤摘要】
一种考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程
，尤其涉及一种考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法。

技术介绍

[0002]深埋硬岩隧洞广泛分布于水力水电、交通、采矿工程和核废料处置、国防建设等领域。深部硬岩破坏形式与浅埋条件不同，表现为完整脆性岩体被平行的裂隙切割，形成一层层近似平行于开挖面的岩板(片)，这种破坏现象被称为板裂破坏。板裂的产生与围岩内部张拉裂纹的扩展与贯通密切相关，是深部硬岩典型破坏形式之一，不仅给深部硬岩矿山开采中巷道施工、支护及后期维护等带来许多不利因素，严重影响巷道的长期稳定；而且围岩板裂破坏与岩爆灾害的发生表现出明显的相关和本质的联系，被认为是岩爆的一种前兆信息。随着深度增大，板裂成的岩板发生折断，并与围岩突然分离而形成岩爆，所诱发的岩爆动力灾害则往往造成人员伤亡、设备损坏和工期延误，给深埋硬岩隧洞、井巷安全高效施工和持续发展提出了巨大的挑战。深部围岩的板裂破坏与岩石的非线性变形存在密切的联系。如何合理构建出岩石的非线性弹性本构模型是计算深埋隧洞非线性围岩应力的关键，也是制定深部围岩板裂化防控方案的重要基础。
[0003]目前，岩石非线性弹性本构方程已有不少研究，将岩石视为非线性弹性体，基于双应变胡克模型，将由“软体”(孔隙、裂隙)和“硬体”(刨除孔隙、裂隙的完整骨架)的构成的岩体，用两部分不同的胡克定律来表征。一些学者认为岩石孔隙不能被完全压密，而是无限趋近于一个定值，提出压密因子的概念。现有技术提出了空隙应变比K的概念，建立了一种指数函数表示非线性弹性本构模型，以及提出了双曲线型的岩石的非线性弹性本构模型，见公式(32)，该双曲线模型由反比例函数平移得到。这些模型虽在一定程度上较好地反映了岩石压密阶段的非线性特征，但仍存在一些问题，集中体现在岩石的孔隙与岩石的非线性变形之间存在本质的联系，而以往模型中缺少与岩石孔隙相关的参数。
[0004][0005]将反映岩石孔隙性的参数(比如孔隙率)融入本构模型，可建立起更为合理的岩石的非线性本构模型。因此，亟需建立以孔隙率等岩石物理力学指标为主要参数的岩石非线性本构模型。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决现有技术中的不足之处，提出一种考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法，建立以孔隙率和岩石弹性介质弹性模量为基本参数的岩石非线性弹性本构模型，模型参数具有明确物理意义并且均可基于试验获取，具有广泛的适用性。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法，包括：
[0008]开展室内岩石单轴压缩试验，获取岩石弹性变形应力
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应变数据；
[0009]基于所述岩石弹性变形应力
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应变数据，构建岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型，并确定所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型的参数；
[0010]通过所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型的参数，获取模型参数与物理力学指标的定量关系；
[0011]基于所述模型参数与物理力学指标的定量关系，建立考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型。
[0012]优选地，构建所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型，包括：
[0013]分析双曲线的变化特征，以及所述双曲线与岩石弹性变形过程应力
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应变曲线之间的相似性，获取平移后双曲线方程及其渐近线；
[0014]建立基于双曲线的岩石非线性本构模型，获取基于双曲线的岩石非线性弹性本构模型及本构方程的渐近线。
[0015]优选地，确定所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型的参数，包括：
[0016]基于所述双曲线的岩石非线性弹性本构模型的参数，根据最小二乘法，结合所述室内岩石单轴压缩试验获得的应力、应变数据，通过拟合的方法进行确定。
[0017]优选地，获取所述模型参数与物理力学指标的定量关系，包括：
[0018]将岩石抽象为多孔弹性体，引入多孔弹性体概念，获取PE性质；
[0019]通过双曲线的岩石非线性本构模型，构建模型参数与岩石弹性介质弹性模量的定量关系，以及模型参数与岩石孔隙率的定量关系。
[0020]优选地，所述PE性质包括：
[0021]PE具有无限大强度；无限大应力下PE无限趋近于完全压密状态；PE极限切线弹模等于弹性介质弹模；PE变形具有非线性弹性。
[0022]优选地，构建所述模型参数与岩石弹性介质弹性模量的定量关系，包括：
[0023]对所述双曲线的岩石非线性本构模型对应变求导，获得切线弹模模型；
[0024]基于所述切线弹模模型，改变应力大小，当所述应力趋于无穷大时，应变趋近于无穷大，获得极限切线弹模模型；
[0025]根据PE极限切线弹模等于PE弹性介质的弹模性质，获取所述模型参数与岩石弹性介质弹性模量的定量关系。
[0026]优选地，构建所述模型参数与岩石孔隙率的定量关系，包括：
[0027]设置应力增加条件，获取PE变形量和PE变形前长度，计算总应变增量，其中，所述总应变增量包括弹性介质应变增量和孔隙应变增量；
[0028]通过所述孔隙应变增量，获取孔隙体积的减小量；
[0029]通过所述孔隙应变增量和所述孔隙体积的减小量，获取孔隙率减小量模型；
[0030]基于所述孔隙率减小量模型，获取基于双曲线的岩石非线性弹性本构模型；
[0031]根据所述双曲线的岩石非线性弹性本构模型，增大应力，当岩石接近于完全压密状态时，获取所述模型参数与岩石孔隙率的定量关系。
[0032]优选地，建立所述考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型，包括：
[0033]通过试验获得岩石弹性变形应力
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应变数据，构建岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型；
[0034]基于所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型，获取岩石非线性本构方程中参数的物理意义，向基于双曲线的岩石非线性弹性本构模型中引入孔隙率，获得由岩石弹性介质弹性模量、岩石孔隙率表征的岩石非线性弹性本构模型的一般形式；
[0035]基于岩石的弹性介质弹性模量和孔隙率，获取所述考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：
[0037](1)本专利技术为准确描述岩石非线性力学行为，构建了基于双曲线的岩石非线性弹性本构模型，并在模型中引入了“岩石孔隙率”、“岩石弹性介质弹性模量”两个重要物理力学参量；建立起了岩石非线性变形与其主要影响因素之间的更为本质的定量关系，实现了岩石弹性变形过程的压密阶段和线性弹性阶段的统一定量描述，对非线性弹性岩石力学的理论体系的完善，具有重要促进作用。
[0038](2)本专利技术所构建的本构模型结构简单、模型参数物理意义明确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法，其特征在于，包括：开展室内岩石单轴压缩试验，获取岩石弹性变形应力
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应变数据；基于所述岩石弹性变形应力
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应变数据，构建岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型，并确定所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型的参数；通过所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型的参数，获取模型参数与物理力学指标的定量关系；基于所述模型参数与物理力学指标的定量关系，建立考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型。2.根据权利要求1所述的考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法，其特征在于，构建所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型，包括：分析双曲线的变化特征，以及所述双曲线与岩石弹性变形过程应力
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应变曲线之间的相似性，获取平移后双曲线方程及其渐近线；建立基于双曲线的岩石非线性本构模型，获取基于双曲线的岩石非线性弹性本构模型及本构方程的渐近线。3.根据权利要求2所述的考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法，其特征在于，确定所述岩石弹性变形应力
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应变双曲线模型的参数，包括：基于所述双曲线的岩石非线性弹性本构模型的参数，根据最小二乘法，结合所述室内岩石单轴压缩试验获得的应力、应变数据，通过拟合的方法进行确定。4.根据权利要求1所述的考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法，其特征在于，获取所述模型参数与物理力学指标的定量关系，包括：将岩石抽象为多孔弹性体，引入多孔弹性体概念，获取PE性质；通过双曲线的岩石非线性本构模型，构建模型参数与岩石弹性介质弹性模量的定量关系，以及模型参数与岩石孔隙率的定量关系。5.根据权利要求4所述的考虑孔隙率的岩石非线性弹性本构模型构建方法，其特征在于，所述PE性质包括：PE具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：高祥，杨科，张庆贺，殷志强，张向阳，李英明，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：