一种岩石材料弹塑性力学本构模型的构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种岩石材料弹塑性力学本构模型的构建方法。
【背景技术】
[0002] 岩石作为岩体的基本组成材料，大型岩石工程、能源开采、地下存储及地质现象分 析研究都需对其力学特性开展深入理解。本构模型构建是对岩石力学特性的深入探索，亦 是连接室内试验、理论分析和仿真模拟的关键环节。准确的力学本构不但能对岩石变形机 理予以描述，亦应可反映其内部损伤破坏机理。因此，构建非线性的弹塑性力学本构模型是 研究岩石力学特性的重点内容。
[0003] 岩石类材料弹塑性本构模型最早是根据金属材料的经典弹塑性理论拓展得到，包 括弹性和塑性理论；弹性理论主要基于胡克定律（Hooke's law)进而描述线性的应力-应 变关系；塑性理论通常采用塑性增量理论，即以增量形式反映应力增量和应变增量间的关 系。近年来随着试验设备和力学理论的不断完善，构建岩石力学本构模型得到了迅速发展， 许多学者基于实测试验资料并结合理论力学原理，提出了一些弹塑性本构模型，但均存在 一定的局限性；
[0004] 申请号为201310140844. 1的发明专利《一种建立材料或土体弹塑性本构模型的 方法》中公开了一种基于旁压试验结果构建材料或土体弹塑性本构模型的方法；由于旁压 试验为在现场钻孔中进行的一种水平向荷载试验，仅适用于粘性土、粉士、砂土、碎石土、残 积土、极软岩和软岩材料，故针对呈现脆性破坏的硬岩并不适用，该方法存在一定的局限 性；其次该方法推算得到的所述材料应力和应变增量的关系矩阵，主要依据为土体体应变 的拟合曲线，未考虑材料变形破坏的力学机理，不能反映其屈服、硬化、破坏等力学特征，故 存在一定的误差性。
[0005] 《一种实用的土体统一弹塑-黏塑性本构模型》（王向余，刘华北，宋二祥·一 种实用的土体统一弹塑-黏塑性本构模型[J].河海大学学报（自然科学版），2009， 37 (2) : 166-170.)中运用非线性曼辛准则，建立了一种土体统一弹塑-黏塑性本构模型，该 模型简单实用且能合理地考虑土体非线性、动力滞回和流变特性；但此模型未考虑岩石材 料力学变形中的流动法则，即未规定塑性应变增量的大小和方向，导致其模拟侧向变形结 果存在一定的误差性。
[0006] 综上所述，现存构建岩石材料弹塑性力学本构模型的方法仍存在一定的缺陷，主 要体现在：
[0007] (1)采用关联性流动法则，未考虑轴向和侧向变形的差异性；
[0008] (2)多为理想弹塑性模型，未考虑材料的硬化特性；
[0009] (3)屈服破坏面单一，未考虑变形破坏的差异性，且扩展性较差。
[0010] 因此亟需提供一种考虑材料屈服准则、非关联性流动法则和硬化准则的、且适用 范围广、准确度高的构建岩石材料弹塑性力学本构模型的方法。
【发明内容】
[0011] 本发明为了解决上述问题，提出了一种岩石材料弹塑性力学本构模型的构建方 法，本方法综合考虑屈服准则、非关联流动法则和硬化准则，构建弹塑性变形阶段的应变增 量和应力增量的关系矩阵，进而得到岩石材料弹塑性力学本构模型，构建出的模型表达式 唯一，参数较少且均可基于试验结果获取，由此保证了求解的唯一性和准确性，亦具有广泛 的适用性。
[0012] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0013] -种岩石材料弹塑性力学本构模型的构建方法，包括以下步骤：
[0014] (1)对待测岩石试件进行三轴岩石力学实验，测量并记录岩石试件的轴向、侧向应 变随应力的变化值，计算岩石试件的体积应变；
[0015] (2)根据记录的岩石试件全程轴向和侧向应变变化，绘制应力-轴向、侧向应变关 系曲线，得到不同围压作用下的峰值应力和岩石由弹性向塑性转化的屈服起始点应力，分 别确定试件所属岩石材料的屈服破坏准则和硬化准则；
[0016] (3)根据计算的岩石试件的体积应变，绘制应力-体积应变关系曲线，获取不同围 压作用下岩石体积由压缩向扩容转化的分界强度，确定试件所属岩石材料的非关联性流动 准则；
[0017] (4)利用热力学弹塑性理论，结合岩石应力-应变曲线、峰值应力、屈服起始应力 和分界强度，选择岩石本构方程的力学参数取值，确定本构模型。
[0018] 进一步的，还包括步骤（5)，利用控制器进行仿真，模拟实验效果，验证并改进模 型。
[0019] 所述步骤（1)中，岩石试件为圆柱形。
[0020] 优选的，所述岩石试件的高度与直径比为2:1。
[0021] 所述步骤（1)中，所述岩石试件的具体制备方法为：对原始岩块钻孔取芯，获取圆 柱状长岩芯，对长岩芯端面进行切割得到端面平整试件，对试件端面磨平。
[0022] 所述步骤（1)中，三轴岩石力学实验的具体方法为：在恒温恒湿条件下，向岩石试 件施加围压σ3至稳定，其次保持围压恒定，对试件开展偏应力〇「〇3加载的岩石力学试 验，试验全程测量轴向应变E1和侧向应变ε 2的变化，最后计算得到体积应变ε ν，对于圆 柱形试件，体积应变εν= ε ι+2ε2。
[0023] 所述步骤（2)中，屈服破坏准则的确认方法为：基于不同围压σ 3下的岩石峰值应 力σ lp，以岩石试件此时平均应力
偏应力q = 〇 1ρ_ 〇 3为条件，做出峰值应 力ρ-q关系曲线，根据该ρ-q曲线的形状，确定出适合该岩石的塑性硬化准则。
[0024] 所述步骤（2)中，硬化准则的确定方法为：基于不同围压σ 3下的岩石塑性屈服起 始点应力〇 ly，以岩石试件的平均应力
偏应力q = 〇 ly-o 3为条件，做出屈 服起始应力Ρ-q关系曲线，根据该Ρ-q曲线的形状，确定出适合该岩石的塑性硬化准则。
[0025] 所述步骤（3)中，流动法则的确定方法为：基于不同围压σ 3下岩石压缩和扩容的 CN 105181435 A 兄明十ι 3/10 页 分界强度σ lv，以岩石试件的平均应力
偏应力q = σ 1ν-σ 3为条件，做出分界 强度ρ-q关系曲线，根据该ρ-q曲线的形状，确定出适合该岩石的非关联塑性流动准则。
[0026] 所述步骤（4)中，具体方法为：岩石总应变ε由弹性应变％和塑性应变ε，且 成，结合弹塑性力学理论，推导出岩石本构方程；并基于岩石应力-应变曲线、峰值应力p-q 曲线、屈服起始应力Ρ-q曲线和分界强度Ρ-q关系曲线，确定出方程的力学参数取值。
[0027] -种岩石三轴力学试验仪，包括围压加载器、偏压加载器、轴向应变测量器、侧向 应变测量器、试样夹持器和数据传感器；其中，围压加载器用于围压的施加并保持恒定；偏 压加载器用于偏压的施加；围压加载器、偏压加载器均连接试样夹持器；轴向应变测量器 用于测量试样轴向应变；侧向应变测量器用于测量试样侧向应变；两者均设置于试样夹持 器外侧；试样夹持器用于安装试件并将其固定，数据传感器连接试件夹持器，用于采集并传 输试件轴向和侧向应变的变化。
[0028] 本发明的有益效果为：
[0029] (1)本发明为准确构建岩石材料弹塑性力学本构模型提供了一种新方法，该模型 基于岩石三轴常规力学试验，可构建简单明确的非线性应变和应力增量关系矩阵，具有较 高的准确性和广泛的适用性；
[0030] (2)综合考虑了岩石材料的屈服准则、非关联性流动法则和硬化准则，可良好反映 岩石材料弹塑性力学行为，认为其力学意义明确，保证了本构模型的唯一性和准确性；
[0031] (3)建立的模型参数较少，均可通过室内试验结果获取；且可编译为有限元软件 的嵌入式程序，由此认为该方法简单便捷，准确度较高，易于推广应用于实际岩石工程计算 与分析。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明实施例的流程图；
[0033] 图2为本发明所需的岩石三轴常规力学试验仪；
[0034] 图3 (a)为典型的碎裂岩试样；
[0035] 图3 (b)为典型的碎裂岩试样；
[0036] 图3 (c)为典型的碎裂岩试样；
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