详情

原文传递一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法

专利名称：	一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法
摘要：	本发明公开了一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法。本发明对岩石试件开展单轴压缩试验和不同轴向应力作用下的单轴压缩蠕变试验，获得岩石平均抗压强度和蠕变曲线；确定岩石长期强度和蠕变破坏时间；确定岩石蠕变过程中变形模量随时间变化的函数表达式，并以变形模量表征受损岩石材料的弹性模量，确定岩石蠕变损伤变量的表达式；确定岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的函数表达式；根据岩石单轴压缩蠕变试验结果，确定蠕变模型参数。该方法所建模型以一个统一的函数表达式即可同时描述岩石加载过程产生的瞬时应变和蠕变全过程的三个阶段，从而克服了现有模型需要将岩石蠕变过程中产生的总应变人为划分为四部分的缺点。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	陕西;61
申请人：	西安建筑科技大学
发明人：	王军保;张强;张玉伟;宋战平;刘新荣;裴子铭;肖珂辉
专利状态：	有效
申请日期：	2019-09-17T00:00:00+0800
发布日期：	2019-12-31T00:00:00+0800
申请号：	CN201910877486.X
公开号：	CN110631908A
代理机构：	西安通大专利代理有限责任公司
代理人：	郭瑶
分类号：	G01N3/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	710055 陕西省西安市碑林区雁塔路13号
主权项：	1.一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，对若干圆柱形岩石试件开展单轴压缩试验，获得岩石平均抗压强度；步骤二，采用单级加载方式，对圆柱形岩石试件开展不同轴向应力σ1、σ2…σi-1、σi作用下的单轴压缩蠕变试验，σ1＜σ2＜…＜σi-1＜σi，获得岩石在对应轴向应力下的蠕变曲线；步骤三，根据不同轴向应力下的蠕变曲线，绘制岩石等时应力—应变曲线，并根据等时应力—应变曲线确定岩石长期强度；步骤四，当轴向应力高于长期强度时，假设岩石强度随时间的劣化规律服从Usher函数，经过变换得到岩石蠕变破坏时间的函数表达式；当轴向应力低于长期强度时，岩石不会发生蠕变破坏；步骤五，根据出现加速蠕变的岩石单轴压缩全过程蠕变曲线，计算岩石在不同时间时的变形模量，绘制岩石变形模量随时间的变化规律曲线，并确定岩石变形模量随时间变化的函数表达式；步骤六，以岩石变形模量表征受损岩石材料的弹性模量，确定岩石蠕变损伤变量的表达式；步骤七，结合连续损伤力学理论，确定岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的函数表达式；步骤八，根据岩石单轴压缩蠕变试验结果，确定蠕变模型参数。 2.根据权利要求1所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，步骤二中，不同轴向应力下的岩石总应变均由瞬时弹性应变和蠕变应变两部分组成；轴向应力σi-1和σi作用下岩石在试验时间内发生了加速蠕变，蠕变曲线包含衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段，包含三个阶段的蠕变曲线即为全过程蠕变曲线；其余轴向应力作用下岩石在试验时间内均未发生加速蠕变，蠕变曲线仅包含衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段。 3.根据权利要求1所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，步骤三中，岩石等时应力—应变曲线存在拐点，当轴向应力低于拐点对应的应力时，等时应力—应变曲线近似为直线；当轴向应力高于拐点对应的应力时，等时应力—应变曲线向应变轴发生偏转；拐点对应的应力即为岩石长期强度。 4.根据权利要求1所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，步骤四中，当轴向应力高于长期强度时，岩石蠕变破坏时间的函数表达式通过如下方法获得： Usher函数的表达式为式中：t为时间，σ(t)为t时刻时的岩石强度，σc为岩石平均抗压强度，σ∞为岩石长期强度，A和B为参数；根据公式1，求解时间t的表达式，得到以岩石蠕变破坏时间tF替换t，以轴向应力σ替换σ(t)，得到轴向应力高于长期强度时，岩石蠕变破坏时间的函数表达式为 5.根据权利要求1所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，步骤五中，岩石变形模量随时间变化的函数表达式为式中：Ec(t)为t时刻时的岩石变形模量，E为岩石弹性模量，m和n为参数。 6.根据权利要求1所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，步骤六中，岩石蠕变损伤变量的表达式通过如下方法获得：以弹性模量定义的岩石蠕变损伤变量为式中：D(t)为t时刻时的岩石蠕变损伤变量，E(t)为t时刻时受损岩石材料的弹性模量；以岩石变形模量表征受损岩石材料的弹性模量，得到将岩石变形模量随时间变化的函数表达式代入式6，得到岩石蠕变损伤变量的表达式为 7.根据权利要求1所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，步骤七中，岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的函数表达式通过如下方法获得：对于无损岩石材料，岩石本构关系符合虎克定律，其表达式为式中：ε为瞬时弹性应变；根据连续损伤力学理论，已经产生损伤的岩石材料的本构关系表达式为式中：ε(t)为t时刻时岩石产生的总应变；将岩石蠕变损伤变量的表达式代入公式9，可得岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的函数表达式为 8.根据权利要求1所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，步骤八中，蠕变模型参数的确定方法如下：弹性模量E根据岩石加载完成后产生的瞬时弹性应变确定；根据轴向应力σi-1和σi作用下岩石发生蠕变破坏的时间tF(i-1)和tF(i)，利用岩石蠕变破坏时间的函数表达式确定式中参数A和B；当轴向应力高于长期强度时，岩石蠕变破坏时间tF利用岩石蠕变破坏时间的函数表达式确定；当轴向应力低于长期强度时，岩石蠕变破坏时间tF取为预设阈值；弹性模量E和岩石蠕变破坏时间tF确定后，参数m和n根据不同轴向应力下的蠕变试验数据利用拟合法反演确定。 9.根据权利要求8所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，根据不同轴向应力下的蠕变试验数据利用拟合法反演确定参数m和n的方法如下：第一步，以待反演的参数m和n作为设计变量X，即X＝{m,n}；第二步，建立目标函数Y，取式中：N为试验数据组数，为t时刻计算的蠕变应变值，为t时刻试验实测的蠕变应变值；第三步，设定目标函数的控制精度并进行参数迭代求解，若目标函数满足精度要求，则停止迭代，输出计算结果；若不满足，则继续迭代，直到满足精度要求为止。 10.根据权利要求8所述的一种岩石单轴压缩全过程蠕变损伤模型的构建方法，其特征在于，弹性模量E、参数m和n随轴向应力变化而变化，且E、m和n随轴向应力的变化规律分别满足公式11-公式13： E(σ)＝-a1 ln(σ+1)+b1 公式11 n(σ)＝a3[1-exp(-b3σ)] 公式13 式中：a1、b1、a2、b2、c2、d2、e2、a3和b3均为拟合参数。
所属类别：	发明专利