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        基于SMP準(zhǔn)則的巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型

        2021-02-22 01:50:20馮清波王明帥江信東
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)模型

        馮清波,王明帥,江信東,賈 逸

        (1.寧波寧大地基處理技術(shù)有限公司, 浙江 寧波 315211; 2.中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 成都 610052; 3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心, 成都 611734)

        0 引 言

        本構(gòu)模型是巖石力學(xué)中的核心內(nèi)容,近年來(lái)受到學(xué)者廣泛關(guān)注[1~2]。Krajcinovic[3]、唐春安[4]和曹文貴[5]等國(guó)內(nèi)外學(xué)者將統(tǒng)計(jì)學(xué)和損傷力學(xué)有機(jī)地結(jié)合,提出統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型并應(yīng)用到巖土工程中,取得良好的成效。巖石是一種非均質(zhì)、非線性的地質(zhì)材料,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、自然風(fēng)化、水作用等因素使得巖石內(nèi)部表現(xiàn)出微缺陷,導(dǎo)致巖石性能弱化,造成巖石性能劣化的微結(jié)構(gòu)變化即為損傷[6]。

        目前對(duì)巖石損傷本構(gòu)關(guān)系研究已有較多成果。曹文貴等[5]、何志磊等[7]、Zhu等[8]、蔣維等[9]、黃海峰等[10]基于Lemaitre[11]應(yīng)變等價(jià)性假說(shuō),假定了冪函數(shù)分布、Weibull分布、正態(tài)分布和Harris分布等概率密度函數(shù)來(lái)描述巖石微元強(qiáng)度并構(gòu)建統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型。這類(lèi)模型雖然具有良好的擬合效果,但是忽略了中間主應(yīng)力對(duì)巖石變形破壞的影響。巖石在三維應(yīng)力狀態(tài)下,其變形破壞全過(guò)程受三向應(yīng)力影響,忽略中間主應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致模擬計(jì)算出現(xiàn)偏差。鑒于此,筆者引入了考慮中間主應(yīng)力的SMP強(qiáng)度準(zhǔn)則,基于統(tǒng)計(jì)損傷理論,建立一種新的考慮中間主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型。通過(guò)該模型描述巖石變形破壞過(guò)程,為巖石變形破壞全過(guò)程的模擬預(yù)測(cè)及深層次認(rèn)識(shí)提供參考。

        1 統(tǒng)計(jì)損傷軟化模型的建立

        1.1 SMP準(zhǔn)則

        大量研究表明[12-13],中間主應(yīng)力會(huì)影響到巖體變形。傳統(tǒng)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則是基于最大和最小主應(yīng)力的二維摩擦準(zhǔn)則,忽略了中間主應(yīng)力的影響,由此引入考慮中間主應(yīng)力的三維摩擦準(zhǔn)則—SMP(松崗-中井)準(zhǔn)則,其表達(dá)式為

        式中:I1、I2、I3——應(yīng)力張量第一、二、三不變量;

        φ——內(nèi)摩擦角。

        式中,σ1、σ2和σ3為分別為最大、中間和最小主應(yīng)力。

        Satake等[14]、Mastuoka等[15]拓展該準(zhǔn)則,使其同時(shí)適應(yīng)非黏結(jié)性材料和黏結(jié)性材料,并提出黏結(jié)應(yīng)力σ0=ccotφ的概念,

        依據(jù)相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則,可得黏性材料SMP準(zhǔn)則為

        (1)

        1.2 損傷變量的定義

        根據(jù)Lemaitre[11]應(yīng)變等價(jià)性假設(shè),應(yīng)力σ作用在受損、無(wú)損材料上產(chǎn)生的應(yīng)變等價(jià),如圖1所示。

        圖1 應(yīng)變等價(jià)示意Fig. 1 Strain equivalence schematic

        由圖1可見(jiàn),有以下關(guān)系:

        σ=σ′(1-D),

        (2)

        式中:σ′——有效應(yīng)力;

        D——損傷變量。

        假設(shè)巖石內(nèi)部由n個(gè)受損微單元和N-n個(gè)無(wú)損微單元組成,則D可表示為

        (3)

        依據(jù)式(1)得到基于 SMP 準(zhǔn)則的微元強(qiáng)度F表達(dá)式為

        (4)

        假定巖石屈服前服從Hooke定律,巖石內(nèi)部微單元為線彈性單元,則有

        (5)

        式中:ε1——軸向應(yīng)變;

        μ——泊松比;

        E——彈性模量。

        假設(shè)巖石破壞概率為P[f(σ1,σ2,σ3)],再結(jié)合式(4)、(5)有

        (6)

        將式(6)代入式(3)得到D為

        (7)

        將式(5)、(7)代入式(2)可得

        (8)

        式(8)即為文中基于SMP準(zhǔn)則巖石統(tǒng)計(jì)損傷關(guān)系表達(dá)式。

        1.3 模型建立

        考慮到巖石內(nèi)部微缺陷發(fā)展具有隨機(jī)分布特性,故引入統(tǒng)計(jì)損傷理論。統(tǒng)計(jì)損傷理論中,應(yīng)用較多的概率分布主要有Weibull分布、冪函數(shù)分布、正態(tài)分布等,其中Weibull分布由于其形式簡(jiǎn)練應(yīng)用最為廣泛,文中選取Weibull分布,其概率密度函數(shù)為

        式中,m、F0——Weibull分布參數(shù)。

        當(dāng)某一荷載下,巖石內(nèi)部已損微單元為

        (9)

        聯(lián)立式(7)、(9)可得

        (10)

        將式(10)代入式(8)可得

        (11)

        式(11)即為文中基于SMP準(zhǔn)則的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型。其中

        (12)

        2 模型參數(shù)確定方法

        2.1 參數(shù)m和F0

        將式(12)代入式(11)并對(duì)應(yīng)變求偏微分可得

        (13)

        假設(shè)巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)為b,引入峰值條件:

        (14)

        將式(14)代入式(13)可得

        (15)

        式中:ε1b——峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變;

        Fb——峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的F值。

        變形式(11)可得:

        (16)

        式中,σ1b——峰值應(yīng)力。

        聯(lián)立式(15)、(16)得

        (17)

        (18)

        式(13)~(18)為參數(shù)m和F0的確定方法。由式(17)、(18)可看出,m通過(guò)E,μ,σ3,σ0,σ1b,ε1b確定,而F0的取值與m密切相關(guān)。

        2.2 參數(shù)σ0

        前文已經(jīng)給出黏結(jié)應(yīng)力σ0=ccotφ,僅需確定巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ,即可得到σ0,c和φ通??赏ㄟ^(guò)繪制不同圍壓狀態(tài)下的莫爾圓,并作其公切線來(lái)求解,通過(guò)式(19)、(20)求取

        (19)

        (20)

        式中:σc——最佳關(guān)系曲線在縱軸上的截距;

        p——斜率。

        3 模型驗(yàn)證及參數(shù)求解

        3.1 常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)

        以某邊坡英安巖為研究對(duì)象,通過(guò)YSJ巖石三軸試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn),圍壓設(shè)置為10、20和30 MPa,得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。根據(jù)文獻(xiàn)[16],將巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線上近似直線段的斜率作為彈性模量,三種圍壓下的彈性模量E分別為330.77、486.67和509.09 MPa,實(shí)驗(yàn)確定μ為0.24?;趫D2,以峰值應(yīng)力為縱坐標(biāo)、圍壓為橫坐標(biāo)的最佳關(guān)系曲線,如圖3所示。

        圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves

        圖3 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)最佳關(guān)系曲線Fig. 3 Best relation curves of test point

        由圖3可知,σc和p分別為78.67 MPa和3.15,再結(jié)合式(19)、(20),計(jì)算得出英安巖的c和φ分別為22.16 MPa和31.22°,從而確定σ0為36.59 MPa。

        3.2 模型驗(yàn)證及參數(shù)m和F0的確定

        由所建模型對(duì)英安巖變形破壞全過(guò)程進(jìn)行辨識(shí),依據(jù)式(11)、(12)繪制理論值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線,再引入文獻(xiàn)[17]中未考慮中間主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)損傷模型進(jìn)行對(duì)比,模型參數(shù)如表1所示。模型辨識(shí)結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

        表1 參數(shù)m和F0值

        圖4 模型辨識(shí)結(jié)果對(duì)比Fig. 4 Comparison of model identification results

        對(duì)圖4分析可得,未考慮中間主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型的辨識(shí)能力較差,平均相關(guān)系數(shù)R2為0.893 6,峰后階段存在較大誤差,理論值明顯低于實(shí)驗(yàn)值。文中所建模型理論值在峰后階段遠(yuǎn)大于引用模型,與實(shí)驗(yàn)值較為接近,平均R2達(dá)到0.977 2。

        為驗(yàn)證所建模型對(duì)不同類(lèi)型巖石的適用性,引用文獻(xiàn)[10]和[18]中泥巖、二長(zhǎng)花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用文中模型進(jìn)行辨識(shí),得到對(duì)比曲線如圖5所示。

        圖5 實(shí)驗(yàn)值和理論值對(duì)比曲線Fig. 5 Comparison curves between experimental value and theoretical value

        由圖5可以看出,文中所建模型對(duì)泥巖和二長(zhǎng)花崗巖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果較好,平均R2分別為0.989 4和0.987 3??傮w而言,文中所建基于SMP準(zhǔn)則的巖石統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型具有較強(qiáng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線辨識(shí)能力,能較為準(zhǔn)確地描述不同類(lèi)型巖石的變形破壞全過(guò)程。

        4 結(jié) 論

        (1)基于SMP破壞準(zhǔn)則,建立了一種新的考慮中間主應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型。通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的極值特性,給出模型參數(shù)m和F0確定方法。開(kāi)展英安巖常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn),通過(guò)求解抗剪強(qiáng)度指標(biāo),得到巖石黏結(jié)應(yīng)力。

        (2)傳統(tǒng)的未考慮中間主應(yīng)力的模型對(duì)巖石峰后階段的描述存在較大誤差,基于SMP準(zhǔn)則的統(tǒng)計(jì)損傷模型對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有較好的辨識(shí)效果。對(duì)比兩者模型預(yù)測(cè)效果,證明文中所建模型的可行性和合理性。

        (3)引用相關(guān)文獻(xiàn)中泥巖和二長(zhǎng)花崗巖的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用文中所建模型進(jìn)行辨識(shí),理論曲線與實(shí)驗(yàn)曲線吻合較好,驗(yàn)證了所建模型的適用性。

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