CN113868897A - 一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热‑力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,首先给定岩石微元体强度服从Weibull分布函数,其次建立了岩石应力‑应变的轴向应力‑应变关系,最后根据广义胡克定律和统计损伤原理建立了考虑各向异性非线性强度破坏准则的岩石在三轴高温‑渗流耦合力试验条件下的应力‑应变关系。本发明应用于热‑力耦合作用下层状板岩的三轴压缩试验,提出的新模型较现有的模型综合性及适用性较强,对试验所得的应力应变曲线拟合程度较高。体现了层状板岩的变形破坏特征,充分反映了峰后阶段的趋势。
Description
技术领域
本发明涉及岩石统计损伤模型计算方法技术领域,尤其涉及一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法。
背景技术
随着水底隧道工程建设和运营项目的不断增加,其内部发生火灾的风险和概率也在不断攀升。火灾除了对人员造成巨大伤害,也会导致围岩支护系统的力学性能结构劣化。实际上,部分水底隧道具有穿越层状岩体等特点。若在这样的环境中发生火灾,往往会对隧道围岩变形产生更强烈的影响。加之,层状岩体中具有诸如层理、节理等原生或次生结构面,其变形和强度特征具有明显的各向异性,火灾高温作用下岩体的破坏机制及方式也明显不同于其他均质岩体。因此,研究层理岩石在高温-荷载耦合条件下的力学性能具有重要意义。
同时,目前关于损伤统计本构模型的研究相对较少,无法合理描述岩石损伤演化过程的缺陷,无法较好反映出高温作用岩石损伤的力学机制。
发明内容
本发明提供一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,以克服现有的层状岩石统计损伤计算方法无法合理描述岩石损伤演化过程的缺陷。
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,所述岩石统计损伤计算方法包括以下步骤:
S1:定义损伤参数D(T,β),所述损伤参数D(T,β)用于表征温度和层理角度对岩石受力性能的影响;
S2:定义用于表征载荷对岩石受力性能的影响的连续损伤变量D,建立在力的作用下岩石损伤的本构关系,以表征力对岩石受力性能的影响;
S3、引入修正系数,并得到温度和层理角度作用下岩石应力-应变的轴向应力-应变关系;
S4、建立热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型,以表征热-力耦合条件共同作用对岩石受力性能的影响,进而确定岩石在三轴高温-渗流耦合力试验条件下的应力-应变关系,所述应力-应变关系即岩石统计损伤关系。
进一步的,所述S1具体如下:
S11:定义用来表征在温度和层理角度E(T,β)作用下,岩石的损伤参数D(T,β)为:
式中:E(T,β)为温度T、层理角度β岩样的弹性模量;E(20℃,0°)为常温20℃、层理角度0°板岩的弹性模量;
S12:假设岩石材料微元体强度k服从Weibull分布,其概率密度函数f(k)可表示为:
式中:m代表不同温度下岩石的均匀性参数,K代表不同温度下岩石的强度特性参数,k代表岩石微元体强度;
由概率密度函数f(k)可得不同温度下岩石的强度特性参数K;
S13:表征温度和层理角度对岩石损伤参数D(T,β)的影响公式如下:
式中:m0为常温20℃、层理角度为0°板岩的岩石的均匀性参数,K0为常温20℃、层理角度为0°板岩的岩石的强度特性参数。
进一步的,所述S2具体如下:
S21、构建发生破裂的微元体数量模型NF,发生破裂的微元体数量模型NF为:
式中:N代表总体岩石微元体数量,f(x)代表Weibull的分布函数;
S22、定义用来表征在力的作用下,岩石的连续损伤变量D为:
S23、根据应力不变量表示的各向异性岩石的非线性强度准则f(σ)对微元体数量模型NF进行修正,得到:
S24、根据各向异性系数Bβ随单轴抗压强度σcβ的变化规律对微元体数量模型NF进行修正,得到:
式中:σtβ为不同角度β板岩的抗拉强度;
S25、给定各向异性岩石的经验非线性强度准则作为岩石微元体破坏参数,即:
f(σ)=k(8)
S26、综合各向异性系数Bβ和各向异性岩石的非线性强度准则f(σ)构建连续损伤变量D,构建连续损伤变量D具体为:
进一步的,所述S2还包括:
S27、构建荷载统计损伤值D(σ,T,β),构建荷载统计损伤值D(σ,T,β)具体为:
式中:D(σ,T,β)为考虑温度与各向异性效应板岩的荷载统计损伤值;σD为起裂应力。
进一步的,所述S3具体如下:
S31、引入损伤修正系数η,建立在力的作用下岩石损伤本构关系:
S32、根据广义胡克定律,得出温度和层理角度作用下岩石应力-应变的轴向应力-应变关系εi,具体公式如下:
由公式(11)和公式(12)推导得出岩石应力-应变的轴向应力-应变关系εi为:
进一步的,所述S4具体如下:
S41、将公式(9)代入公式(13)中,得到在考虑渗透压作用下轴向的应力-应变关系:
S44、结合岩石应力应变过坐标原点的特征,构建热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型对应二次函数,热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型对应二次函数具体为:
式中:A、B代表二次函数的拟合参数,εi代表应变值;
S45、结合公式(17)和公式(18)获得拟合后的热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型σi,拟合后的热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型σi具体为:
式中:εD为应力阀值点所对应的应变值。
进一步的,确定不同温度下岩石的均匀性参数m和不同温度下岩石的强度特性参数K的具体方法为:
当ε1>εD时,对公式(20)求偏导,并将峰值条件代入,可得:
联立式(20)和(21)即可求得不同温度下岩石的均匀性参数m和不同温度下岩石的强度特性参数K。
进一步的,确定二次函数的拟合参数A和B数值的具体方法为:
将公式(18)代入公式(20)可得:
当岩石的应力-应变曲线位于给定的损伤阀值区间前后,应力-应变曲线一阶导数连续,根据公式(22)又可表示其一阶导数为:
联立式(22)和(23)即可求得二次函数的拟合参数A和B数值。
进一步的,还包括利用连续损伤变量D获得高温-荷载耦合损伤Dc,获得高温-荷载耦合损伤D具体为:
Dc=D(T,β)+D-D(T,β)D (24)。
有益效果:
1、考虑了温度和层理角度对岩石力学参数和本构模型参数的影响,本发明确立了本构模型的求解过程;
2、本发明所构建的热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型所计算的理论值与试验值相差不大,充分反映了峰后阶段的趋势,能够较好反映出不同温度作用和层理角度的板岩的应力-应变关系;
3、本发明进一步阐明了热损伤和荷载统计损伤可表征岩石的耦合损伤,并揭示了不同温度和层理角度的耦合损伤变量的演化规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法流程图;
图2为高温-荷载耦合作用层理板岩三轴试验的流程图;
图3a为不同层理角度下弹性模量随温度变化图;
图3b为不同温度下弹性模量随层理角度变化图;
图3c为不同层理角度下峰值应力随温度变化图;
图3d为不同温度下峰值应力随层理角度变化图;
图4a为获得20℃、层理角度为45°条件下试验值与理论曲线对比图;
图4b为获得60℃、层理角度为45°条件下试验值与理论曲线对比图;
图4c为获得100℃、层理角度为45°条件下试验值与理论曲线对比图;
图4d为获得150℃、层理角度为45°条件下试验值与理论曲线对比图;
图5a为加热温度为100℃下层理角度为0°的试验值与理论曲线对比图;
图5b为加热温度为100℃下层理角度为30°的试验值与理论曲线对比图;
图5c为加热温度为100℃下层理角度为45°的试验值与理论曲线对比图;
图5d为加热温度为100℃下层理角度为60°的试验值与理论曲线对比图;
图5e为加热温度为100℃下层理角度为90°的试验值与理论曲线对比图;
图6a为本构模型中参数m、K随温度变化规律图;
图6b为本构模型中参数m、K随层理角度的变化规律图;
图7为耦合损伤变量DC的演化规律图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。本实施例提供了一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,如图1-7,包括以下步骤:
S1:定义损伤参数D(T,β),所述损伤参数D(T,β)用于表征温度和层理角度对岩石受力性能的影响;
S2:定义用于表征载荷对岩石受力性能的影响的连续损伤变量D,建立在力的作用下岩石损伤的本构关系,以表征力对岩石受力性能的影响;
S3、引入修正系数,并得到温度和层理角度作用下岩石应力-应变的轴向应力-应变关系;
S4、建立热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型,以表征热-力耦合条件共同作用对岩石受力性能的影响,进而确定岩石在三轴高温-渗流耦合力试验条件下的应力-应变关系,所述应力-应变关系即岩石统计损伤关系。
在具体实施例中,所述S1具体如下:
S11:定义用来表征在温度和层理角度E(T,β)作用下,采用弹性模量作为损伤变量以表征温度和层理角度对岩石造成了损伤,定义岩石的损伤参数D(T,β)为:
式中:E(T,β)为温度T、层理角度β岩样的弹性模量;E(20℃,0°)为常温20℃、层理角度0°板岩的弹性模量;
在外荷载作用下,岩石的损伤是岩石微元体的不断破坏所导致的,假设在某一应力状态下发生破坏的微元体数量NF与总体微元体数量N的比值为统计损伤变量,即:
S12:由于Weibull概率分布容易积分、均值大于0等特点满足岩石受压破坏的统计特征,因此本文假设材料微元体强度k服从Weibull分布其概率密度函数f(k)可表示为:
式中:m代表不同温度下岩石的均匀性参数,K代表不同温度下岩石的强度特性参数,k代表岩石微元体强度;
由概率密度函数f(k)可得不同温度下岩石的强度特性参数K;
S13:假设m与K受温度和层理角度的损伤影响规律相似,表征温度和层理角度对岩石损伤参数D(T,β)的影响公式如下:
式中:m0为常温20℃、层理角度为0°板岩的岩石的均匀性参数,K0为常温20℃、层理角度为0°板岩的岩石的强度特性参数。
在具体实施例中,所述S2具体如下:
S21、岩石细观上是由随机分布的颗粒微元体结合而成,当微元体强度k超过某一强度时,岩石内部逐渐发生破裂最终形成宏观上的破坏,因此构建发生破裂的微元体数量模型NF,发生破裂的微元体数量模型NF为:
式中:N代表总体岩石微元体数量,f(x)代表Weibull的分布函数;
S22、定义用来表征在力的作用下,岩石的连续损伤变量D为:
S23、根据应力不变量表示的各向异性岩石的非线性强度准则f(σ)对微元体数量模型NF进行修正,得到:
S24、根据各向异性系数Bβ随单轴抗压强度σcβ的变化规律对微元体数量模型NF进行修正,得到:
式中:σtβ为不同角度β板岩的抗拉强度;
S25、给定各向异性岩石的经验非线性强度准则作为岩石微元体破坏参数,即:
f(σ)=k(8)
S26、综合各向异性系数Bβ和各向异性岩石的非线性强度准则f(σ)构建连续损伤变量D,构建连续损伤变量D具体为:
在具体实施例中,所述S2还包括:
S27、岩石变形破坏过程实际上是其内部裂纹萌生、压密、拓展、汇合并贯通的过程,在应力值低于起裂应力σD的条件下,岩石内部裂隙不断扩展,岩石不发生损伤,因此在岩石变形过程中存在阀值点。并认为在岩石应力状态小于起裂应力时,无损伤演化或很小;当应力状态大于起裂应力时,其损伤可用式(9)表示,因此,在整个应力状态下,构建荷载统计损伤值D(σ,T,β),构建荷载统计损伤值D(σ,T,β)具体为:
式中:D(σ,T,β)为考虑温度与各向异性效应板岩的荷载统计损伤值;σD为起裂应力。
在具体实施例中,所述S3具体如下:
S31、在三轴压缩试验的过程中,岩石试件受压头摩擦力及围压的影响,当其发生破坏后会传递剪应力和产生一定的残余强度,因此为了修正名义应力与有效应力的转化,本文引入了修正系数η,其中0<η<1。则三维各项同性应力的转化关系为引入损伤修正系数η,建立在力的作用下岩石损伤本构关系:
S32、根据广义胡克定律,得出温度和层理角度作用下岩石应力-应变的轴向应力-应变关系εi,具体公式如下:
由公式(11)和公式(12)推导得出岩石应力-应变的轴向应力-应变关系εi为:
在具体实施例中,所述S4具体如下:
S41、将公式(9)代入公式(13)中,得到在考虑渗透压作用下轴向的应力-应变关系:
S43、随着温度和角度的变化,板岩的弹性模量有显著的变化。结合损伤参数D(T,β)与第二方向有效应力和第三方向有效应力得到热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型σi,得到热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型σi具体为:
S44、损伤阀值点之后,热-力耦合作用下层状板岩损伤本构方程由式(18)给出。在损伤阀值点之前,结合岩石应力应变过坐标点(0,0)的特征,可采用二次函数进行拟合,则热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型对应二次函数具体为:
式中:A、B代表二次函数的拟合参数,εi代表应变值;
S45、结合公式(17)和公式(18)获得拟合后的热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型σi,拟合后的热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型σi具体为:
式中:εD为应力阀值点所对应的应变值。
根据试验结果可知岩石损伤阀值点处的应力即为岩石的起裂应力,起裂应力所对应的应变即为损伤阀值应变。为此,引入岩样的损伤阀值点处应力应变(εD,σD)与峰值应力处应力应变(εC,σC)作为宏观力学参数来确定高温三轴压缩试验模型参数。
在具体实施例中,确定不同温度下岩石的均匀性参数m和不同温度下岩石的强度特性参数K的具体方法为:
当ε1>εD时,对公式(20)求偏导,并将峰值条件代入,可得:
联立式(20)和(21)即可求得不同温度下岩石的均匀性参数m和不同温度下岩石的强度特性参数K。
在具体实施例中,岩石产生的变形破坏是一个连续变化的过程,且在应力应变曲线中的压缩阶段和损伤演化阶段的变化规律具有连续性。即在损伤阀值点前后的岩石变形具有一致性,在对本构模型中二次函数的拟合参数A和B数值的具体方法为:
将公式(18)代入公式(20)可得:
当岩石的应力-应变曲线位于给定的损伤阀值区间前后,应力-应变曲线一阶导数连续,具体的岩石的应力-应变曲线位于给定的损伤阀值区间前后各1%-5%,根据公式(22)又可表示其一阶导数为:
联立式(22)和(23)即可求得二次函数的拟合参数A和B的数值
在具体实施例中,还包括利用连续损伤变量D获得高温-荷载耦合损伤Dc,获得高温-荷载耦合损伤D具体为:
Dc=D(T,β)+D-D(T,β)D (24)。
根据实验经验可得本构模型中参数m、K的取值范围,取值范围见表1。
表1
由图3a-d可知弹性模量、峰值强度与温度和层里角度具有相关性,而本发明建立的模型证明了模型中的参数mk均与温度和层理角度相关,表明模型中的参数mk的定义具有物理意义。由图4a-d和图5a-e可知试验值与理论曲线相差不大,表明本模型是较为合理的。图6a-b的描述是能够表现出m、K与温度和层理角度有着明显的相关性,图7表现出耦合损伤变量是随着轴向应力产生变化,是与试验值保持一致,说明本发明的模型的合理性。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,其特征在于,所述岩石统计损伤计算方法包括以下步骤:
S1:定义损伤参数D(T,β),所述损伤参数D(T,β)用于表征温度和层理角度对岩石受力性能的影响;
S2:定义用于表征载荷对岩石受力性能的影响的连续损伤变量D,建立在力的作用下岩石损伤的本构关系,以表征力对岩石受力性能的影响;
S3、引入修正系数,并得到温度和层理角度作用下岩石应力-应变的轴向应力-应变关系;
S4、建立热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型,以表征热-力耦合条件共同作用对岩石受力性能的影响,进而确定岩石在三轴高温-渗流耦合力试验条件下的应力-应变关系,所述应力-应变关系即岩石统计损伤关系。
2.如权利要求1所述的一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,其特征在于,所述S1具体如下:
S11:定义用来表征在温度和层理角度E(T,β)作用下,岩石的损伤参数D(T,β)为:
式中:E(T,β)为温度T、层理角度β岩样的弹性模量;E(20℃,0°)为常温20℃、层理角度0°板岩的弹性模量;
S12:假设岩石材料微元体强度k服从Weibull分布,其概率密度函数f(k)可表示为:
式中:m代表不同温度下岩石的均匀性参数,K代表不同温度下岩石的强度特性参数,k代表岩石微元体强度;
由概率密度函数f(k)可得不同温度下岩石的强度特性参数K;
S13:表征温度和层理角度对岩石损伤参数D(T,β)的影响公式如下:
式中:m0为常温20℃、层理角度为0°板岩的岩石的均匀性参数,K0为常温20℃、层理角度为0°板岩的岩石的强度特性参数。
3.如权利要求2所述的一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,其特征在于,所述S2具体如下:
S21、构建发生破裂的微元体数量模型NF,发生破裂的微元体数量模型NF为:
式中:N代表总体岩石微元体数量,f(x)代表Weibull的分布函数;
S22、定义用来表征在力的作用下,岩石的连续损伤变量D为:
S23、根据应力不变量表示的各向异性岩石的非线性强度准则f(σ)对微元体数量模型NF进行修正,得到:
S24、根据各向异性系数Bβ随单轴抗压强度σcβ的变化规律对微元体数量模型NF进行修正,得到:
式中:σtβ为不同角度β板岩的抗拉强度;
S25、给定各向异性岩石的经验非线性强度准则作为岩石微元体破坏参数,即:
f(σ)=k (8)
S26、综合各向异性系数Bβ和各向异性岩石的非线性强度准则f(σ)构建连续损伤变量D,构建连续损伤变量D具体为:
6.如权利要求5所述的一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,其特征在于,所述S4具体如下:
S41、将公式(9)代入公式(13)中,得到在考虑渗透压作用下轴向的应力-应变关系:
S44、结合岩石应力应变过坐标原点的特征,构建热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型对应二次函数,热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型对应二次函数具体为:
式中:A、B代表二次函数的拟合参数,εi代表应变值;
S45、结合公式(17)和公式(18)获得拟合后的热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型σi,拟合后的热-力耦合条件下层状岩石统计损伤本构模型σi具体为:
式中:εD为应力阀值点所对应的应变值。
9.如权利要求8所述的一种热-力耦合条件下层状岩石统计损伤计算方法,其特征在于,还包括利用连续损伤变量D获得高温-荷载耦合损伤Dc,获得高温-荷载耦合损伤D具体为:
Dc=D(T,β)+D-D(T,β)D。 (24)
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