一种岩石损伤蠕变模型的建立方法

本发明属于岩石工程，具体涉及一种岩石损伤蠕变模型的建立方法。

背景技术：

1、岩石的蠕变力学特性试验作为研究长期荷载作用下岩石力学特性的重要手段，可揭示岩石在不同应力条件下的蠕变特性；基于岩石蠕变试验结果可建立符合实际的岩石蠕变本构模型，使工程岩体蠕变的数值及理论分析变为可能。由于硬质岩石的蠕变特性不够明显而常被人们忽略，因此关于硬质岩石的蠕变试验及本构模型理论的研究较少。随着更多基础设施的建设，硬岩地层中重大岩石工程，如水利水电工程、能源储库工程及交通隧道工程等日益增多；更多的地下工程面临着硬岩蠕变对工程岩体长期稳定性带来的威胁，这对硬岩蠕变模型的理论研究提出了更高的要求。因此，为预测硬岩地层中工程岩体的长期稳定性，需对硬岩进行更多的蠕变试验及模型研究。

2、元器件组合模型中比较常用的有maxwell模型、kelvin模型、bingham模型、burgers模型及西原模型等。但由于组成模型的各种基本元器件均为线性的，模型仅能够反映材料线性粘弹塑性的性质；为更好的描述岩石非线性变形特征，需要对基本原件的本构关系进行非线性化改进，而目前蠕变模型多是基于经典元件模型改进，在此基础上加入非线性元件来描述岩石的蠕变特性，但缺少同时考虑应力水平与时间效应对岩石力学性能损伤的模型。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种岩石损伤蠕变模型的建立方法，具体通过在burgers模型的基础上引入考虑时间效应的非线性损伤体，构建了能够描述岩石蠕变全过程的损伤蠕变模型。本发明提供的损伤蠕变模型能够较好地描述硬岩蠕变全过程曲线，验证了所建立模型的合理性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种岩石损伤蠕变模型的建立方法，包括以下步骤：

4、s1、对岩石试件开展岩石三轴压缩试验，获取不同围压下岩石的平均压缩强度；

5、s2、根据步骤s1得到的不同围压下岩石的平均压缩强度，确定得到最佳围压和各级最佳轴压，根据得到的最佳围压和各级最佳轴压，对岩石试件开展恒围压-分级升轴压的三轴压缩蠕变试验，得到岩石试件的蠕变变形值；

6、s3、根据步骤s3得到的岩石试件的蠕变变形值绘制得到岩石在不同应力水平下的分级应变-时间曲线；

7、s4、对步骤s3得到的岩石在不同应力水平下的分级应变-时间曲线进行处理，得到处理后的分级应变-时间曲线；

8、s5、根据步骤s5得到的处理后的分级应变-时间曲线构建得到初始蠕变模型，初始蠕变模型的蠕变方程为：

9、

10、其中，为初始蠕变模型的弹性模量与黏滞系数，e0、e1为弹性模量，η1、η2为黏滞系数，σ0为初始应力；

11、s6、对岩石加速蠕变阶段的蠕变速率与对应的蠕变时间历程之间的非线性关系进行拟合，得到拟合关系；

12、s7、根据步骤s5得到的初始蠕变模型和步骤s6得到的拟合关系，获得岩石损伤蠕变模型，岩石损伤蠕变模型的状态方程和本构方程分别为：

13、

14、

15、其中，σ和ε分别为模型总的应力和应变；ε1、ε2、ε3、ε4分别为1、2、3、4部分的应变；σ1、σ2、σ3、σ4分别为1、2、3、4部分的应力。e0、e1为弹性模量；η1、η2为黏滞系数，η0为初始黏性系数，n、m为材料参数，σs为临界应力。

16、优选的，步骤s2包含以下步骤：

17、s21、对岩石试件进行固定；

18、s22、根据步骤s1得到的不同围压下岩石的平均压缩强度，确定得到最佳围压和各级最佳轴压，对步骤s21固定的岩石试件施加初始围压至最佳围压，接着施加轴压分别至各级最佳轴压，维持各级轴压/围压恒定，得到各级荷载下岩石试件的蠕变变形值。

19、优选的，步骤s22中，所述最佳围压为30.0mpa，初始围压采用位移控制方式施加，加载速率为0.5mm·s-1。

20、优选的，步骤s22中，各级最佳轴压分别为最佳围压下岩石试件在岩石三轴压缩试验所对应的峰值应力的50％、60％、70％和80％，轴压采用应力控制方式进行加载，加载速率为0.5mpa·s-1。

21、优选的，步骤s6中，所述拟合关系式为：

22、σ＜σs:ε＝0；

23、

24、其中，m、n为材料参数，由蠕变试验确定；η0为材料的初始黏滞系数，ε为模型总的应变，η0为初始黏性系数，σ为模型总的应力，t为时间，σs为临界压力。

25、本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

26、(1)本发明提供的岩石损伤蠕变模型考虑到了岩石的各向异性、不均质性和非线性特性，能够很好地描述岩石处于不同应力状态的瞬时蠕变、减速蠕变、稳定蠕变或加速蠕变特征，能够较精确的描述岩石各个蠕变阶段的非线性特征，具有更广的适用性；

27、(2)本发明在burgers模型的基础上引入考虑时间效应的非线性损伤体，构建了能够描述岩石蠕变全过程的损伤蠕变模型，结合三轴蠕变试验结果对损伤蠕变模型进行参数识别，结果表明改进的模型能够较好地描述硬岩蠕变全过程曲线，验证了本发明模型的合理性。

技术特征：

1.一种岩石损伤蠕变模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的岩石损伤蠕变模型的建立方法，其特征在于，步骤s2包含以下步骤：

3.根据权利要求2所述的岩石损伤蠕变模型的建立方法，其特征在于，步骤s22中，所述最佳围压为30.0mpa，初始围压采用位移控制方式施加，加载速率为0.5mm·s-1。

4.根据权利要求2所述的岩石损伤蠕变模型的建立方法，其特征在于，步骤s22中，各级所述最佳轴压分别为最佳围压下岩石试件在岩石三轴压缩试验所对应的峰值应力的50％、60％、70％和80％，轴压采用应力控制方式进行加载，加载速率为0.5mpa·s-1。

5.根据权利要求1所述的岩石损伤蠕变模型的建立方法，其特征在于，步骤s6中，所述拟合关系式为：

技术总结
本发明公开了一种岩石损伤蠕变模型的建立方法，属于岩石工程技术领域，通过室内岩石三轴压缩试验，获取不同围压下岩石的平均压缩强度；采用分级加载方式进行室内岩石蠕变试验；绘制室内岩石蠕变试验获得的岩石全应变‑时间曲线和岩石在不同应力水平下的分级应变‑时间曲线；进行蠕变模型的元件种类识别，构建初始蠕变模型；拟合岩石加速蠕变阶段蠕变速率与对应的蠕变时间历程之间的非线性关系；最终获得岩石非线性蠕变模型的本构方程和蠕变方程。本发明考虑到了岩石的各向异性、不均质性和非线性特性，能够描述岩石处于不同应力状态的瞬时蠕变、减速蠕变、稳定蠕变或加速蠕变特征，并能够描述岩石各个蠕变阶段的非线性特征，具有更广的适用性。

技术研发人员：宋战平,王博文,潘红伟,杨棚涛,成涛,张玉伟,田小旭,曹智淋,许王亮,徐磊磊
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22