(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210528435.8 (22)申请日 2022.05.16 (71)申请人 中国矿业大 学 地址 221100 江苏省徐州市大 学路1号 (72)发明人 高亚楠　兰东昊　丁峰　王云龙　 高峰　 (74)专利代理 机构 徐州苏越知识产权代理事务 所(普通合伙) 32543 专利代理师 张旭 (51)Int.Cl. G01N 3/12(2006.01) G01N 33/24(2006.01) G06F 30/13(2020.01) (54)发明名称 一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学 本构模型的方法 (57)摘要 本发明公开了一种构建深部扰动下岩石材 料弹塑性力学本构模型的方法， 利用岩石试验系 统对试样进行不同埋深条件下三种不同深部开 挖扰动应力路径的加载， 获取加载过程中岩石试 验系统所施加的轴向应力与环向应力， 及试样轴 向应变和环向应变。 同时计算出试样在扰动应力 路径下的平均整旋角的演化规律， 建立基于平均 整旋角的Hoek ‑Brown屈服准则， 并计算出以平均 整旋角为自变量的岩石硬化函数及确定岩石的 硬化参数。 根据上述公式及参数， 并基于弹塑性 力学理论与本构理论， 得出能得到岩石应力增量 与应变增量的关系， 即三种不同扰动应力路径下 岩石的弹塑性力学本构模型公式， 从而根据本构 模型公式能对不同埋深三种不同扰动应力路径 下的岩体 变形破坏特 征进行预测。 权利要求书4页 说明书9页 附图5页 CN 115014975 A 2022.09.06 CN 115014975 A 1.一种构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法， 其特征在于， 具体步骤 为： S1、 采用同一性质的红砂岩石制作多个形状相同的试样， 通过波速测试确认各个试样 内部无明显损伤， 且完整性良好； 并通过常规单轴压缩试验测量试样的弹性模量E以及泊松 比υ； S2、 从步骤S1中选择一个试样固定 到岩石试验系统内； S3、 设定一个埋深， 然后将步骤S2中的试样通过岩石试验系统加载依次模拟在该埋深 下的静水压力加载、 第一加卸载阶段和较大扰动施工， 完成一个扰动应力路径， 直至将红砂 岩试样加载至破碎； 并记录加载期间该红砂岩试样的轴向应力σ1， 环向应力σ3， 以及轴向应 变ε1、 环向应变ε3； 然后再从步骤S1中选择一个试样， 并重复步骤S2， 接着在同一埋深条件 下， 将试样依次模拟在该埋深下的静水压力加载、 第一加卸载阶段和中等扰动施工， 完成一 个扰动应力路径， 直至将红砂岩试样加载至破碎； 并记录加载期间该红砂岩试样的轴向应 力σ1， 环向应力σ3， 以及轴向应变ε1、 环向应变ε3； 最后再从步骤S1中选择一个试样， 并重复 步骤S2， 接着在同一埋深条件下， 将试样依次模拟在该埋深下的静水压力加载、 第一加卸载 阶段和较小扰动施工， 完成一个扰动应力路径， 直至将红砂岩试样加载至破碎； 并记录加载 期间该红砂岩试样的轴向应力σ1， 环向应力σ3， 以及轴向应变ε1、 环向应变ε3； 最终获得在当 前模拟埋深下三种不同扰动应力路径加载过程中各个试样的轴向应力σ1， 环向应力σ3， 以及 轴向应变 ε1、 环向应变 ε3； S4、 设红砂岩试样加载过程中的平均整旋角为Θ， 根据有限变形理论， 能得出平均整旋 角Θ的公式， 从而根据该公式能得 出三种不同扰动应力路径下 试样的平均整旋角Θ； S5、 设M为描述岩石变形破裂程度的参数， 然后根据步骤S4确定的平均整旋角Θ代入公 式， 最终得 出三种不同扰动应力路径下 试样的M； S6、 建立初始Hoek ‑Brown屈服准则公式， 将步骤S5中的M代入该公式， 从而获得改进后 的Hoek‑Brown屈服准则公式， 并分别确 定三种不同扰动应力路径下公式中的扰动参数D的 值； S7、 建立岩石在扰动应力路径下的硬化函数H， 硬化函数H是以平均整旋角Θ为自变量 的函数； 接着结合硬化函数H并根据岩石 材料弹塑性理论的关联流动法则， 确定岩石的硬化 参数A的公式； 从而获得三种不同扰动应力路径下 各自岩石的硬化 参数A； S8、 结合步骤S6中改进后的Hoek ‑Brown屈服准则公式和步骤S7中的岩石的硬化参数A， 并根据岩石材料 的本构理论， 能得到岩石应力增量与应变增量的关系， 即三种不同扰动应 力路径下岩石的弹塑性力学本构模型公式， 从而根据本构模型公式能对当前埋深三种不同 扰动应力路径下的岩体 变形破坏特 征进行预测； S9、 再选择一个埋深， 并重 复步骤S3至S8， 能对该埋深三种不同扰动应力路径下的岩体 变形破坏特征进行预测， 如此重复， 从而能对不同埋深情况下三种不同扰动应力路径的岩 体变形破坏特 征进行预测。 2.根据权利要求1所述的构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法， 其特 征在于， 所述 步骤S3中三种扰动应力路径各个加载阶段的具体加载参数为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115014975 A 23.根据权利要求1所述的构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法， 其特 征在于， 所述 步骤S4的具体过程 为： 根据有限变形理论， 能得 出平均整旋角Θ的公式为： 其中λ与 μ为拉梅 参数， 能用E与 υ表示： 根据该公式能得 出三种不同扰动应力路径下 试样的平均整旋角Θ。 4.根据权利要求1所述的构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法， 其特 征在于， 所述 步骤S5的具体过程 为： 设0表示岩石完全破裂， 1表示岩石结构完整， 在岩石峰前阶段， 岩石变形破裂程度的参 数M为： 其中， Θmax为岩石在达到残余强度时的平均整旋角的值， Θc为岩石达到峰值应力时的 平均整旋角的值， 其 通过下式计算： 其中， σc与 εc分别为岩石的峰值应力值与其对应的轴向应变值； 从而得出三种不同扰动 应力路径下 试样的M。 5.根据权利要求1所述的构建深部扰动下岩石材料弹塑性力学本构模型的方法， 其特 征在于， 所述 步骤S6的具体过程 为： 建立初始Hoek ‑Brown屈服准则公式：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115014975 A 3