【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及岩体工程，尤其涉及一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型及构建方法。
技术介绍
1、天然岩体内部萌生微裂隙，微裂隙的扩展与贯通对承载力具有显著劣化作用。特别是对于富水围岩体，地下渗流场的长期作用会进一步加剧围岩体承载能力及稳定性降低。在宏观层面上，渗流作用会降低结构面之间的有效正应力，加剧裂隙岩体沿优势结构面的滑移剪切破坏；在微观层面上，渗流场和应力场的耦合作用导致岩体微裂隙萌生、扩展及贯通，从而改变岩体损伤特性。因此，水岩耦合对岩体力学特征的影响及作用机理一直是水工隧道围岩体工程备受关注的热点问题。既有研究，重点关注了渗透压、含水率和岩石力学参数的关系，并建立了相关损伤本构模型。而受到荷载作用前岩石的微裂隙处于一个相对稳定的状态，渗透对岩体结构具有溶蚀和润滑作用。受到荷载作用后，岩体裂隙中的渗透水状态随之发生改变，挤压作用会诱使孔隙水由饱和变得不饱和甚至产生渗透水压，进而促使裂隙尖端产生劈裂作用、加剧岩石损伤微裂隙的扩展。随着隧道与地下空间工程的快速发展，水工隧道中涉及的水岩耦合问题也亟需进一步关注，特别是渗透压作用下岩石(体)劈裂效应对微裂隙演化规律的影响。
技术实现思路
1、针对上述存在的技术问题，为探究复合型裂隙渗流岩体的尖端塑性区扩展特征，本专利基于drucker-prager屈服准则建立了高、低渗透压作用下复合裂隙岩体的尖端塑性区半径模型，分析了渗透压、裂隙岩体参数(裂隙倾角、泊松比、裂隙长度)对塑性区半径的影响规律。
2、基于上
3、本专利技术的一个目的是提供一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，该构建方法包括以下步骤：
4、步骤1：建立渗透压与轴向荷载耦合作用下的岩体裂隙模型；
5、步骤2：基于岩体裂隙模型，分析确定判断渗透压环境的标准；
6、步骤3：根据渗透压环境判断标准，分别建立低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型和高渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型。
7、在上述技术方案的基础上，步骤2的具体过程包括：
8、步骤201：根据弹性力学理论用远场压应力示的主裂隙表面应力分别为：
9、
10、
11、则含中心倾斜裂隙尖端应力强度因子为：
12、
13、
14、上式中，σxx表示远场压应力，p为渗透压，a为中心倾斜裂隙；
15、步骤202：依据主裂隙表面应力表达式得到渗透压决定着有效正应力的正负，从而使裂隙分别表现出压应力和拉应力的特性；
16、步骤203：在步骤202的基础上，依据线弹性断裂力学得出利用有效正应力作为判断渗透压高低的标准。
17、在上述技术方案的基础上，进一步地，步骤3中低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式如下：
18、
19、上式中，θ为裂隙与垂直方向的夹角，v为岩石泊松比，k为与岩石材料内摩擦角和粘聚力相关的力学参数。
20、在上述技术方案的基础上，更进一步地，，低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式建立过程包括：
21、(1)根据低渗透压的判断标准，式(1)中主裂隙表面应力为正值，即裂隙面处于压剪复合应力状态，则低渗透压条件为：
22、
23、(2)由于裂隙面因受压荷载产生闭合现象，应力场上表现为减小应力强度因子kⅱ，则令摩擦系数为f，闭合度为λ，裂隙面上的摩擦力和有效切应力为:
24、σf＝σnefλ (6)
25、
26、(3)受压作用下裂隙闭合，张开型应力强度因子kⅰ为负值，则裂隙尖端的应力场表达为：
27、
28、
29、
30、
31、τxz＝τyz＝0 (12)
32、(4)受载岩体变形引起的塑性区域的确定以裂隙尖端附近的应力场为依据，根据d-p屈服准则，岩石材料发生塑性变形的控制方程为：
33、
34、式中：α和k为与岩石材料内摩擦角和粘聚力相关的力学参数；ⅰ1为应力张量第一不变量；j2是应力张量第二不变量；
35、其中，
36、
37、
38、
39、
40、式中：v为岩石泊松比，联立式(15)、(16)、(12)可得低渗透压作用下裂隙塑性区半径的表达式。
41、在上述技术方案的基础上，更进一步地，高渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式如下：
42、
43、在上述技术方案的基础上，高渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式建立过程包括：
44、(1)根据高渗透压的判断标准，式(1)中主裂隙表面应力为负值，即裂隙面处于滑张复合应力状态，则高渗透压条件表示为：
45、
46、(2)张开型裂隙尖端启裂扩展过程中，在垂直其走向方向形成一定宽度，即裂隙张开度ρ≠0，在此条件下，垂直拉伸应力表达式为：
47、
48、(3)垂直拉伸应力对裂缝尖端起到拉伸作用，则张开型应力强度因子为：
49、
50、上式中ρ为裂隙尖端曲率半径；
51、当ρ/a→0时，式(20)成立，则法向压应力产生的应力强度因子为：
52、
53、将裂隙尖端拉应力和法向应力产生的应力强度因子叠加，由此可得张开裂隙的ⅰ型应力强度因子为：
54、
55、(3)裂隙岩体在高渗透压下发生张拉断裂行为是张开型裂隙和滑开型裂隙共同存在的，则裂隙尖端的应力场表示为：
56、
57、
58、
59、
60、τxz＝τyz＝0 (27)
61、联立式(23)、(24)、(25)、(26)、(27)及(12)得到高渗透压作用下裂隙塑性区半径的表达式。
62、本专利技术的另一个目的是提供一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型，该模型利用上述所述的构建方法得到。。
63、在上述技术方案的基础上，渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型包括低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型和高渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型；
64、其中，低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式如下：
65、
66、高渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式如下
67、
68、与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：
69、本专利考虑了复合型裂隙岩体中高、低渗透压环境的差异性，分析了渗透压作用下岩体裂隙面上应力的分布特征，明确了岩体裂隙面中有效正应力可以作为高低渗透压的判断标准。引入drucker-p本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，该构建方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，步骤2的具体过程包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，步骤3中低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式建立过程包括：
5.根据权利要求4所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，高渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式如下：
6.根据权利要求5所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，高渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式建立过程包括：
7.一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型
8.根据权利要求7所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型，其特征在于，渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型包括低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型和高渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型；
...【技术特征摘要】
1.一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，该构建方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，步骤2的具体过程包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，步骤3中低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式如下：
4.根据权利要求3所述的一种基于渗透压影响的复合型裂隙岩体尖端塑性区半径模型构建方法，其特征在于，低渗透压作用下复合裂隙尖端塑性区半径模型的表达式建立过程包括：
5.根据权利要求4所述的一种基于渗透压影响的...
【专利技术属性】
技术研发人员：程昀，宋战平，王彤，许晓静，徐至威，孙引浩，高永吉，张玉伟，任振中，杨腾添，李龙吉，殷勇，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：
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