CN110987661A - 一种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法，本发明模型能够反映岩石结构面的剪切应力‑剪切位移关系；特别是对线弹性阶段、峰前软化阶段、峰后软化阶段和残余剪切应力阶段的描述更为合理。本发明所提出的模型参数可以用数学方法确定，具有明确的物理意义，精度和严谨性更胜拟合方法；通过与试验数据和与以往模型的比较，本文提出的模型能够准确地反映结构面剪切应力‑剪切位移曲线的变化趋势，对曲线的描述更为完备，体现了模型的优越性和适用性。
Description
技术领域
本发明属于岩石结构面剪切本构模型的工程技术领域，涉及一种改进Harris 分布的结构面剪切损伤本构模型的方法。
背景技术
结构面是岩体中普遍存在的一种地质现象，它对地下洞室和边坡工程等岩 体工程的稳定性和长期变形有着深刻的影响。如何评价结构面在复杂的荷载作 用下的剪切力学行为，是岩体工程中几乎所有涉及隧道、边坡或地下开挖的主 要设计中都必须考虑的基本问题。
以往对岩石结构面力学性能的研究多集中在强度特性和剪切变形特性方 面。自Goodman、Taylor在剪切变形特性领域首次提出节点单元有限元建模方 法以来，对加载与变形的关系(本构模型)已经进行了大量的研究(A model for the mechanics of jointedrock.Journal of Soil Mechanics&Foundations Div)。目前建立 了多种理论或经验剪切本构模型。基于直剪试验结果，Bandis等提出利用双曲 函数拟合峰值前剪切变形(Fundamentals of rock joint deformation,International Journal of RockMechanics&Mining Sciences&Geomechanics Abstracts)。Desai 和Fishman在塑性理论的框架下，提出了结构面本构模型的分层建模方法 (Plasticity-based constitutivemodel with associated testing for joints,International Journal of RockMechanics&Mining Sciences&Geomechanics Abstracts)。Saeb将Goodman模扩展到描 述整个过程中的结构面剪切变形研究，并利用分段线性函数描述峰值前后的应 力-位移关系(Modelling of rock joints under shear and normal loading, InternationalJournal of Rock Mechanics&Mining Sciences&Geomechanics Abstracts)。上述研究主要集中在对峰前或峰后变形的描述上，忽略了结构面剪 切变形是非线性的这一事实。将剪切应力-位移的非线性关系考虑在内，Rieker 等用指数函数描述本构关系，建立了CSDS模型(Analysis of fault-slip mechanisms in hard rock mining,Journal ofBiomechanics)。Li等提出了一种考虑波浪分量和非 均匀分量变化的结构面剪切本构模型(A constitutive model for a laboratory rock joint with multi-scale asperitydegradation,Computers&Geotechnics)。
这些研究成果为全面描述岩体结构面的剪切应力-剪切位移关系奠定了基 础。但这些建立的本构模型仍存在一些不足，如表达式复杂，参数众多且没有 明确物理意义等。大部分模型的理论结果与峰后试验数据的一致性较差，这大 大降低了模型的适用性。
发明内容
针对于现有技术的不足，本发明的目的是提供一种改进Harris分布的结构 面剪切损伤本构模型的方法。
本发明这种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法，包括以下 步骤：
S1、由损伤统计理论，基于改进Harris分布表示岩石微元体的强度统计分 布，推导出岩石结构面损伤变量D的表达式，该表达式中含有模型参数a和b；
S2、根据典型峰值剪断型结构面剪切变形曲线变形特性，确定损伤起始阶 段，根据岩石材料受荷损伤由损伤与未损伤两部分共同承担外部载荷，结合步 骤S1步骤中岩石结构面损伤变量D，建立剪切作用下结构面的统计损伤本构模 型；
S3、确定结构面直剪试验变形参量与S2步骤建立的结构面统计损伤本构模 型的模型参数a，b之间的理论关系表达式。
所述步骤S1步骤中，岩石结构面损伤变量D的表达式的推导，具体包括以 下步骤：
S1.1、根据损伤统计理论：在材料受荷变形宏观裂纹出现之前，损伤早已对 材料的力学性质产生了影响，这个与地质体中普遍带有节理、裂隙承受载荷的 情况类似，在岩体内的结构面、裂隙的尺寸相对于工程岩体的尺寸相当小的情 况下，可以将节理、裂隙理想地简化为岩体的损伤，通过损伤力学相关理论进 行研究；当岩石微元受到外界荷载或所处环境剧烈变化时，微裂纹会逐渐萌生 和扩展，最终出现宏观裂纹，导致岩石整体破坏；从宏观上看，微观因素降低 了岩石的宏观力学参数，可以认为是损伤逐步累积的过程；将结构面的剪切过 程视为损伤发生的过程，引入损伤变量D来描述损伤程度；
S1.2、基于改进Harris分布表示岩石微元体的强度统计分布：岩石材料发生 损伤时，损伤区域与未损伤区域混杂在一起，常规方法难以界定损伤进行程度； 损伤统计理论能有效解决岩石的变形与破裂问题，岩石内部缺陷的随机性决定 岩石微元强度的随机性，采用改进Harris分布概率密度函数来描述岩石微元强 度即岩石微元体的破坏概率密度函数P(Fa)为：
其中：Fa为岩石微元体强度，a和b是与岩石材料力学性能有关的模型参数；
S1.3、根据S1.1和S1.2，损伤变量D可表示为：
所述S2步骤，建立剪切作用下结构面的统计损伤本构模型，具体包括以下 步骤：
S2.1、根据典型峰值剪断型结构面剪切变形曲线，可得知峰值剪切型曲线的 剪切过程可分为四个阶段，①线弹性阶段，②峰前软化阶段，③峰后软化阶段， ④残余应力阶段；所建立的模型应该体现出剪切变形全过程中的四个完整的阶 段；
S2.2、对受载荷的结构面剪切面积A而言，存在以下关系：
A＝Au+Ad (3)
其中：Ad为损伤发生后损伤区域面积，Au是对应的没有损伤的区域的面积。
则此时损伤变量D亦可以表示为：
其中：D为0～1的损伤变量，表示岩石材料从未损坏(完好)到完全损坏的损伤 状态；
S2.3、由沿剪切方向的静力平衡可知，剪切面上的剪力由损伤部分与未损伤 部分共同承担，即：
τA＝τuAu+τdAd (5)
其中τ为表观剪切应力(名义外加剪切应力)，τu为有效剪切应力，τd为受损 部分承担的剪切应力；
将式(3)和式(4)代入式(5)可得本构关系：
τ＝τu(1-D)+τdD (6)
S2.4、根据S2.1步骤中的典型峰值剪断型结构面剪切变形曲线的4个阶段 特征：当达到完全损伤状态时即D＝1，此时由式(6)可知τ＝τd；显然在进入残 余应力阶段时达到完全损伤，此时剪切应力τ＝τresidual，将τresidual简记为τr，即τd＝τr； 而在线弹性阶段，可以认为微元服从弹性定律，外部载荷全部由未损伤部分承 担，即线弹性段与峰前软化段的分界点—屈服点是损伤起始点，此时τ＝τu＝ksu， 其中：ks为剪切应力-剪切位移曲线的线弹性段斜率即剪切刚度，u为剪切位移。
将
代入式(6)可得：
τ＝ksu(1-D)+τrD (7)
结合S1步骤中岩石结构面损伤变量D的表达式，将式(2)带入式(7)可得：
其中：u为剪切位移，ks为剪切刚度；τr为残余剪切应力；*代表乘号；
此时，模型求解的关键在于确定岩石微元强度Fa，经典的M-C准则适用于 岩石材料，采用M-C准则确定强度分布参数：
Fa＝τu-(σntanψy+cy) (9)
其中:ψy、cy分别为屈服阶段的内摩擦角和内聚力，σn为法向应力；
σntanψy+cy即为屈服剪切应力τyield，而作为线弹性段与峰前软化阶段的分界点，屈服剪切应力τyield也可以用剪切刚度ks与屈服剪切位移uyield表示为：
τyield＝ksuyield (10)
在线弹性阶段，外部载荷全部由未损伤部分承担，此时τ＝τu＝ksu，因此， 损伤变量D可以表示为：
为便于简化，将τyield、uyield分别简写为：τy、uy；则将式(11)带入式(8)可得 建立的损伤统计本构模型为：
其中a、b为模型参数。
所述S3步骤中，模型参数a和b的求解过程，具体包括以下步骤：
根据S2步骤中建立的损伤统计本构模型，线弹性阶段与峰前软化阶段的分 界点与峰值点，分别得到以下边界条件：
便于简化，将屈服剪切应力τyield、屈服剪切位移uyield、峰值剪切应力τpeak、 峰值剪切位移upeak、残余剪切应力τresidual分别简写为：τy、uy、τp、up、τr。根据 以上边界条件可以求解模型参数a，b的表达式如下所示：
至此，模型参数a、b全部得到求解，且具有明确物理含义，剪切刚度ks， 屈服剪切应力τyield(τy)、屈服剪切位移uyield(uy)、峰值剪切应力τpeak(τp)、峰值剪切 位移upeak(up)、残余剪切应力τresidual(τr)均可从剪切试验中直接得到。
本发明的有益效果：1、本发明模型能够反映岩石结构面的剪切应力-剪切位 移关系；特别是对线弹性阶段、峰前软化阶段、峰后软化阶段和残余剪切应力 阶段的描述更为合理。2、本发明所提出的模型参数可以用数学方法确定，具有 明确的物理意义，精度和严谨性更胜拟合方法；通过与试验数据和与以往模型 的比较，本文提出的模型能够准确地反映结构面剪切应力-剪切位移曲线的变化 趋势，对曲线的描述更为完备，体现了模型的优越性和适用性。
附图说明
图1为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型结构面损伤 示意图。
图2为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型不同类型结 构面剪切应力-剪切位移曲线示意图:(a)滑动破坏型(b)峰值剪切型。
图3为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型模具示意图:(a) 样本制作钢模模具(b)锯齿倾角钢模外形。
图4为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型锯齿倾角结 构面的平面图及制作过程示意。
图5为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型RYL 600岩 石剪切流变仪原理图。
图6为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型不同倾角和 正应力下剪切应力与剪切位移的关系曲线。
图7为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型损伤统计本 构关系的理论曲线与试验结果的比较。
图8为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型试验结果(JC10°)与模拟结果的比较。
图9为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型试验结果(JC30°)与模拟结果的比较。
图10为实施例1中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型试验结果(JC45°)与模拟结果的比较。
图11为本发明中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的结果对文献1中试验数据比较图。
图12为本发明中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型结果与文献2中试验数据比较。
图13为本发明中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型试验结果(JC30°,0.4MPa)与不同本构模型的理论曲线对比。
图14为本发明中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型试验结果(JC45°,1.6MPa)与不同本构模型的理论曲线对比。
图15为本发明中基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型试验结果(JC10°,2.0MPa)与不同本构模型的理论曲线对比。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理 解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的 普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精 神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保 护之列。
实施例1
S1、由损伤统计理论，基于改进Harris分布表示岩石微元体的强度统计分 布，推导出岩石结构面损伤变量D；具体推导过程如下：
S1.1、在材料受荷变形宏观裂纹出现之前，损伤早已对材料的力学性质产生 了影响，这个与地质体中普遍带有节理、裂隙承受载荷的情况类似，在岩体内 的结构面、裂隙的尺寸相对于工程岩体的尺寸相当小的情况下，可以将节理、 裂隙理想地简化为岩体的损伤，通过损伤力学相关理论进行研究。当岩石微元 受到外界荷载或所处环境剧烈变化时，微裂纹会逐渐萌生和扩展，最终出现宏 观裂纹，导致岩石整体破坏；从宏观上看，微观因素降低了岩石的宏观力学参 数，可以认为是损伤逐步累积的过程。将结构面的剪切过程视为损伤发生的过 程，引入损伤变量D来描述损伤程度。
S1.2岩石材料发生损伤时，如图1所示，F代表施加的法向压力，T代表施 加的剪切力，损伤区域与未损伤区域混杂在一起，常规方法难以界定损伤进行 程度；损伤统计理论能有效解决岩石的变形与破裂问题，岩石内部缺陷的随机 性决定岩石微元强度的随机性，采用改进Harris分布概率密度函数来描述岩石 微元强度即岩石微元体的破坏概率密度函数P(Fa)为：
其中：Fa为岩石微元体强度，a，b是与岩石材料力学性能有关的模型参数。
S1.3则损伤变量D可表示为：
S2、根据典型峰值剪断型结构面剪切变形曲线变形特性，确定损伤起始阶 段，根据岩石材料受荷损伤由损伤与未损伤两部分共同承担外部载荷，结合损 伤变量D，建立剪切作用下结构面的统计损伤本构模型；具体过程如下：
S2.1、根据剪切应力达到峰值后是否存在显著的应力降，剪切应力-剪切位 移曲线可分为滑动破坏型曲线(如图2a所示)和峰值剪切型曲线(如图2b所示)。
峰值剪切型曲线的剪切过程可分为四个阶段，如图2b所示；所建立的模型 应该体现出剪切变形全过程中的四个完整的阶段：1、线弹性阶段①；2、峰前软 化阶段②；3、峰后软化阶段③；4、残余应力阶段④。
S2.2对受载荷的结构面剪切面积A而言，存在以下关系：
A＝Au+Ad (3)
其中Ad为损伤发生后损伤区域面积，Au是对应的没有损伤的区域的面积。
则此时损伤变量D亦可以表示为：
其中D为0～1的损伤变量，表示岩石材料从未损坏(完好)到完全损坏的损伤状态。
S2.3由沿剪切方向的静力平衡可知，剪切面上的剪力由损伤部分与未损伤部 分共同承担，即：
τA＝τuAu+τdAd (5)
其中τ为表观剪切应力(名义外加剪切应力)，τu为有效剪切应力，τd为受损 部分承担的剪切应力。
将式(3)和式(4)代入式(5)可得本构关系：
τ＝τu(1-D)+τdD (6)
S2.4、当达到完全损伤状态时即D＝1，此时由式(6)可知τ＝τd。显然在进 入残余阶段(图2b④阶段)时达到完全损伤，此时剪切应力τ＝τresidual，将τresidual简 记为τr，即τd＝τr。而在线弹性阶段(图2b①阶段)，可以认为微元服从弹性定律， 外部载荷全部由未损伤部分承担，即线弹性段与峰前软化段的分界点—屈服点 是损伤起始点，此时τ＝τu＝ksu，其中ks为剪切应力-剪切位移曲线的线弹性段斜 率即剪切刚度，u为剪切位移。将
代入式(6)可得：
τ＝ksu(1-D)+τrD (7)
将式(2)带入式(7)可得：
此时，模型求解的关键在于确定岩石微元强度Fa，经典的M-C准则适用于 岩石材料，采用M-C准则确定强度分布参数：
Fa＝τu-(σntanψy+cy) (9)
其中ψy、cy分别为屈服阶段的内摩擦角和内聚力。
σntanψy+cy即为屈服剪切应力τyield，而作为线弹性段与峰前软化阶段的分界 点，屈服剪切应力τyield也可以用剪切刚度ks与屈服剪切位移uyield表示为：
τyield＝ksuyield (10)
在线弹性阶段(图2①阶段)，外部载荷全部由未损伤部分承担，此时 τ＝τu＝ksu，因此，损伤变量D可以表示为：
为便于简化，将τyield、uyield分别简写为：τy、uy。则将式(11)带入式(8)可得 建立的损伤统计本构模型为：
其中a、b为模型参数。
S3、确定结构面直剪试验变形参量与建立的结构面统计损伤本构模型模型 参数a，b之间的理论关系表达式；具体步骤如下：
根据图2所示剪切应力-剪切位移关系曲线，我们可以在曲线的线弹性阶段 与峰前软化阶段的分界点(屈服点)与峰值点分别得到以下边界条件：
便于简化，将屈服剪切应力τyield、屈服剪切位移uyield、峰值剪切应力τpeak、 峰值剪切位移upeak、残余剪切应力τresidual分别简写为：τy、uy、τp、up、τr。根据 以上边界条件可以求解模型参数a，b的表达式如下所示：
至此，模型参数a、b全部得到求解，且具有明确物理含义，剪切刚度ks， 屈服剪切应力τyield(τy)、屈服剪切位移uyield(uy)、峰值剪切应力τpeak(τp)、峰值剪切 位移upeak(up)、残余剪切应力τresidual(τr)均可从剪切试验中直接得到。
下面对所建立模型的合理性与优越性进行验证:
S4、对预制结构面开展室内直剪试验，通过试验验证模型的合理性，并通 过与他人模型的对比说明模型的优越性，其具体步骤包括：
S4.1、室内模型试验一直是解决复杂工程课题的重要手段，在岩土工程研 究中已经得到广泛应用。本次选用水泥砂浆作为模型材料，按质量比为水：水 泥：砂＝1:2:4来浇筑模型。为了预制本次试验所需的锯齿结构面，专门设计加工 了相对应的锯齿结构面模具如图3所示，图中α为结构面锯齿起伏角度，分别为 10°，30°，45°三个角度。
待称量好的水、水泥和砂搅拌均匀后将混合料倒入模具中，振捣密实，保 证没有气泡残余砂浆内部，待试块上的砂浆不再沉陷后将试件上表面刮去多余 砂浆并找平。将试块静置24h后拆模，将已制好的下半部分试块取出，利用其浇 筑模型的上半部分。待模型的上半部分浇筑好之后，对试块编号处理，在养护 温度为25℃，湿度不低于98％的恒温恒湿环境中养护28天备用。制作好的部分锯 齿结构面模型如图4所示。为便于区分，将锯齿倾角10°、30°、45°的结构面试样 分别称为JC10°、JC30°、JC45°。
试验在RYL—600剪切流变仪上进行(图5)。试样分别在0.4、1.2、1.6、2.0MPa 共四级常法向应力下进行直剪试验。试验开始时，首先施加正应力到规定的水 平并使之保持稳定。达到预设正应力后，再施加剪切应力完成剪切试验。所有 剪切试验均以0.5mm/min的剪切位移速率进行，直至剪切位移达到10mm剪切结 束。在每次剪切试验中，通过数字化数据采集系统自动记录对应剪切应力和位 移直至试验结束。为了尽量减小试样个体差异对结果的影响，每次试验重复三 次，采用最佳剪切应力-剪切位移曲线。最终得到的剪切应力-剪切位移曲线如图 6所示。
S4.2、将S4.1所得剪切试验数据代入所建立的损伤统计本构模型中，验证 所建立的损伤统计本构模型的正确性：以JC10°试样在0.4MPa正应力下的剪切 试验数据为例，由线性段数据可以求得剪切刚度ks＝0.57389MPa/mm，屈服剪切 位移uyield＝0.58836mm，屈服剪切应力τyield＝0.33634MPa，峰值剪切应力 τpeak＝0.4048MPa，峰值剪切位移upeak＝0.84861，残余剪切应力τresidual＝0.3617，将以 上参数代入式(15)中，计算可得模型参数a、b分别为：
此时得所建立的模型表达式中的所有参数均已求解，最后将相关模型参数 代入模型表达式(12)得到相应的模型方程：
模型曲线如图7所示，相关系数R2＝0.922，说明本研究建立的本构模型关系 能够准确模拟结构面剪切变形过程。
同样，对图6中剩余的试验数据，处理过程与示例相同得到相应模型表达式。 值得一提的是，式(12)仅适用于残余剪切应力明显的情况。如果试验数据中没有 恒定的残余应力，建议采用拟合数据的方法得到参数a、b和残余剪切应力。最 终各试验数据的试验曲线与模型曲线的对比如图8～10所示。从图8～10中可以看 出，本发明模型可以较准确地模拟结构面剪切全变形过程，从而较好地反映剪 切过程的阶段性特点。
S4.3、为了评价本文所提模型的适用性，引用6个不同条件下岩石结构面剪 切位移和应力特征的试验实例来证明本文模型的合理性。
对比例
为了进一步说明本发明模型的合理性和准确性，采用文献1～4的模型，进行 进一步验证。
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1、采用文献1中直剪试验数据，选取在7MPa、14MPa、21MPa三个正应力 水平下剪切的结构面样本数据对本发明的模型进行验证，剪切应力与剪切位移 试验数据与本文模型曲线的对比如图11所示。
2、采用文献2中的直剪试验数据，选取三种不同结构面在105℃温度下干燥 48小时，正应力为4.0MPa的剪切试验数据对本发明的模型进行验证；模型与试 验曲线的对比如图12所示。
从图11和图12可以看出，本发明的模型的预测结果与实际试验数据相比 具有较好的准确性，说明本发明的统计损伤本构模型具有较好的适用性。
3、为了进一步说明本文提出的模拟峰值剪断型曲线剪切变形过程的本构模 型的优越性，分别采用文献3～4的方法对15、30、45°锯齿各选取某一正应力 下的剪切应力-剪切位移曲线建模，并与本文模型进行对比分析，结果如图13～15 所示。
由图可知：①文献3的模型可以较好地反映结构面变形各个阶段的特性， 但是由于该模型是纯经验模型，且包含不能有常规力学试验所确定的模型参数， 因此导致其应用受到限制。同时由该模型得到的峰值剪切应力与达到残余剪切 应力所需位移均偏小；②文献4的模型可以较好地反映剪切变形峰后软化和残 余应力特性，但其对峰前剪切应力-剪切位移关系是线性描述，这与结构面剪切 变形峰前软化这一阶段特性不符合。③而相比其它两个模型，本发明的模型与 试验数据吻合程度更高，可以反映结构面变形线弹性、峰前软化、峰后软化、 残余剪切应力等特性。
本发明基于改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型相对于现有本构模 型，描述了结构面峰前及峰后全部变形特性及其损伤演化规律，模型形式简单、 参数物理意义明确，模型预测结果与试验结果具有相当高的吻合度，证明所建 立的模型合理；能够有效地解决现有结构面剪切变形损伤本构模型中存在的问 题与不足。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对 本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不 经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法，包括以下步骤：
S1、由损伤统计理论，基于改进Harris分布表示岩石微元体的强度统计分布，推导出岩石结构面损伤变量D的表达式，该表达式中含有模型参数a和b；
S2、根据典型峰值剪断型结构面剪切变形曲线变形特性，确定损伤起始阶段，根据岩石材料受荷损伤由损伤与未损伤两部分共同承担外部载荷，结合步骤S1步骤中岩石结构面损伤变量D，建立剪切作用下结构面的统计损伤本构模型；
S3、确定结构面直剪试验变形参量与S2步骤建立的结构面统计损伤本构模型的模型参数a，b之间的理论关系表达式。
2.根据权利要求1所述的改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法，其特征在于，所述步骤S1步骤中，岩石结构面损伤变量D的表达式的推导，具体包括以下步骤：
S1.1、根据损伤统计理论：在材料受荷变形宏观裂纹出现之前，损伤早已对材料的力学性质产生了影响，这个与地质体中普遍带有节理、裂隙承受载荷的情况类似，在岩体内的结构面、裂隙的尺寸相对于工程岩体的尺寸相当小的情况下，可以将节理、裂隙理想地简化为岩体的损伤，通过损伤力学相关理论进行研究；当岩石微元受到外界荷载或所处环境剧烈变化时，微裂纹会逐渐萌生和扩展，最终出现宏观裂纹，导致岩石整体破坏；从宏观上看，微观因素降低了岩石的宏观力学参数，可以认为是损伤逐步累积的过程；将结构面的剪切过程视为损伤发生的过程，引入损伤变量D来描述损伤程度；
S1.2、基于改进Harris分布表示岩石微元体的强度统计分布：岩石材料发生损伤时，损伤区域与未损伤区域混杂在一起，常规方法难以界定损伤进行程度；损伤统计理论能有效解决岩石的变形与破裂问题，岩石内部缺陷的随机性决定岩石微元强度的随机性，采用改进Harris分布概率密度函数来描述岩石微元强度即岩石微元体的破坏概率密度函数P(Fa)为：
其中：Fa为岩石微元体强度，a和b是与岩石材料力学性能有关的模型参数；
S1.3根据S1.1和S1.2，损伤变量D可表示为：
3.根据权利要求1所述的改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法，其特征在于，所述S2步骤，建立剪切作用下结构面的统计损伤本构模型，具体包括以下步骤：
S2.1、根据典型峰值剪断型结构面剪切变形曲线，可得知峰值剪切型曲线的剪切过程可分为四个阶段，①线弹性阶段，②峰前软化阶段，③峰后软化阶段，④残余应力阶段；所建立的模型应该体现出剪切变形全过程中的四个完整的阶段；
S2.2、对受载荷的结构面剪切面积A而言，存在以下关系：
A＝Au+Ad(3)
其中：Ad为损伤发生后损伤区域面积，Au是对应的没有损伤的区域的面积；
则此时损伤变量D亦可以表示为：
其中：D为0～1的损伤变量，表示岩石材料从未损坏到完全损坏的损伤状态；
S2.3、由沿剪切方向的静力平衡可知，剪切面上的剪力由损伤部分与未损伤部分共同承担，即：
τA＝τuAu+τdAd(5)
其中：τ为表观剪切应力，τu为有效剪切应力，τd为受损部分承担的剪切应力；
将式(3)和式(4)代入式(5)可得本构关系：
τ＝τu(1-D)+τdD(6)
S2.4、根据S2.1步骤中的典型峰值剪断型结构面剪切变形曲线的4个阶段特征：当达到完全损伤状态时即D＝1，此时由式(6)可知τ＝τd；显然在进入残余应力阶段时达到完全损伤，此时剪切应力τ＝τresidual，将τresidual简记为τr，即τd＝τr；而在线弹性阶段，可以认为微元服从弹性定律，外部载荷全部由未损伤部分承担，即线弹性段与峰前软化段的分界点—屈服点是损伤起始点，此时τ＝τu＝ksu，其中ks为剪切应力-剪切位移曲线的线弹性段斜率即剪切刚度，u为剪切位移；将
代入式(6)可得：
τ＝ksu(1-D)+τrD(7)
结合S1步骤中岩石结构面损伤变量D的表达式，将式(2)带入式(7)可得：
其中：u为剪切位移，ks为剪切刚度；τr为残余剪切应力；
此时，模型求解的关键在于确定岩石微元强度Fa，经典的M-C准则适用于岩石材料，采用M-C准则确定强度分布参数：
Fa＝τu-(σntanψy+cy)(9)
其中:ψy、cy分别为屈服阶段的内摩擦角和内聚力，σn为法向应力；
σn tan ψy+cy即为屈服剪切应力τyield，而作为线弹性段与峰前软化阶段的分界点，屈服剪切应力τyield也可以用剪切刚度ks与屈服剪切位移uyield表示为：
τyield＝ksuyield(10)
在线弹性阶段，外部载荷全部由未损伤部分承担，此时τ＝τu＝ksu，因此，损伤变量D可以表示为：
为便于简化，将屈服剪切应力τyield、屈服剪切位移uyield、峰值剪切应力τpeak、峰值剪切位移upeak、残余剪切应力τresidual分别简写为：τy、uy、τp、up、τr；则将式(11)带入式(8)可得建立的损伤统计本构模型为：
其中a、b为模型参数。
4.根据权利要求1所述的改进Harris分布的结构面剪切损伤本构模型的方法，其特征在于，所述S3步骤中，模型参数a和b的求解过程，具体包括以下步骤：
根据S2步骤中建立的损伤统计本构模型，线弹性阶段与峰前软化阶段的分界点与峰值点，分别得到以下边界条件：
便于简化，将屈服剪切应力τyield、屈服剪切位移uyield、峰值剪切应力τpeak、峰值剪切位移upeak、残余剪切应力τresidual分别简写为：τy、uy、τp、up、τr；根据以上边界条件可以求解模型参数a，b的表达式如下所示：
至此，模型参数a、b全部得到求解，且具有明确物理含义，剪切刚度ks，屈服剪切应力τyield(τy)、屈服剪切位移uyield(uy)、峰值剪切应力τpeak(τp)、峰值剪切位移upeak(up)、残余剪切应力τresidual(τr)均可从剪切试验中直接得到。
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