(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 202211010130.4 (22)申请日 2022.08.23 (71)申请人 中南大学 地址 410083 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路932号 (72)发明人 林杭　谢世杰　胡盛斌　周天忠　 钟有信　刘宏伟　刘保华　曹日红　 汪亦显　赵延林　陈怡帆　向纯双　 钟火弟　宋茂　 (74)专利代理 机构 湖南仁翰律师事务所 4325 0 专利代理师 邹灿 (51)Int.Cl. G01N 3/24(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模 型的构建方法 (57)摘要 本发明公开了一种岩石结构面剪切破坏的 非线性统一本构模型的构建方法， 其包括如下步 骤： 对人工结构面试样进行剪切试验， 获取剪切 应力‑剪切位移曲线； 获取峰值剪切型剪切应力 ‑ 剪切位移曲线中的剪切刚度ks、 峰值应力τp、 残 余应力τr及滑动破坏型剪切应力 ‑剪切位移曲 线中的初始 剪切刚度ksi、 峰值应力τp、 残余应力 τr； 建立剪切应力 ‑剪切位移曲线的对应函数， 获取岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模 型。 本发明通过建立剪切应力 ‑剪切位移曲线的 统一本构 模型的对应函数， 在x的正无穷极限下， 将变量u用极限强度τu进行代替， 进而得到岩石 结构面剪切破坏的非线性统一本构 模型， 能够有 效预测峰值剪切型及滑动破坏型剪切应力 ‑剪切 位移曲线。 权利要求书3页 说明书13页 附图8页 CN 115406776 A 2022.11.29 CN 115406776 A 1.岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法， 其特征在于， 包括如下步 骤： 对人工结构面试样进行剪切试验， 获取剪切应力 ‑剪切位移曲线； 将获取的剪切应力 ‑剪切位移曲线分类为峰值剪切型剪切应力 ‑剪切位移曲线及滑动 破坏型剪切应力 ‑剪切位移曲线， 获取峰值剪切型剪切应力 ‑剪切位移曲线中的剪切刚度 ks、 峰值应力 τp、 残余应力 τr及滑动破坏型剪切应力 ‑剪切位移曲线中的初始剪切刚度ksi、 峰 值应力 τp、 残余应力 τr； 其中， 将残余应力 τr趋于稳定的值定义 为极限强度 τu； 建立剪切应力 ‑剪切位移曲线的对应函数 获取岩石结构面剪切 破坏的非线性统一本构模型 其中， β 、 r、 η为预设参数， 且均大于 0。 2.根据权利要求1所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法， 其 特征在于， 所述 步骤S130的方法， 具体操作包括： 步骤S131 、 建立剪 切应力 ‑剪 切位移曲 线的统一本构模型的 对应函数 ： 其中， β 、 r、 η、 u为预设参数， 且均大于 0； 步骤S132、 当x＝0时， y＝0， 且在x的正无穷极限下， y趋近于u， 将变量u用极限强度τu进 行代替， 得到岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型 其中， β 、 r、 η为预设参数， 且均大于 0。 3.根据权利要求1或2所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法， 其特征在于， 所述 步骤S130之后， 还 包括 步骤S140、 基于已知的剪切应力 ‑剪切位移曲线获取峰值剪切型剪切应力 ‑剪切位移曲 线对应的的非线性统一本构模型 及滑动破坏型剪切应力 ‑剪切位移 曲线对应的 的非线性统一本构模型 4.根据权利要求3所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法， 其 特征在于， 当基于已知的剪切应力 ‑剪切位移曲线获取峰值剪切型剪切应力 ‑剪切位移曲线 对应的的非线性统一本构模型 时， 所述步骤S140的方法， 包括如下 步骤： 基于已知的剪切应力 ‑剪切位移曲线及试验数据， 得到极限强度 τu取值； 峰值点前的试验数据满足 公式①: τ ＝ksiδr； 对等式①两边取对数， 得到公式 ②： ln τ ＝rln δ +lnksi； 令 将 代入至公式 ②， 得到公式 ③： Y＝rX+Z； 将峰前阶段剪切试验数据转化为lnτ ‑lnδ形式， 然后进行线性拟合， 拟合直线的斜率为 参数r， 截距为 参数lnksi， 获取得到参数r和ksi的取值。 5.根据权利要求4所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法， 其权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115406776 A 2特征在于， 当基于已知的剪切应力 ‑剪切位移曲线获取峰值剪切型剪切应力 ‑剪切位移曲线 对应的的非线性统一本构模型 时， 所述步骤S140的方法， 还包括如 下步骤： 通过公式 得到公式 ④： 将公式④等式两边分别取对数， 得到公式 ⑤： 将公式⑤等式两边取二次对数后简化 为公式⑥： 令 则公式⑥变换成线性表达式的形式， 将峰后阶段的试验数据经 线性拟合后可获取 得到参数β 和 η 的取值； 将τu、 r、 ksi、 β、 η取值分别代入至峰值剪切型剪切应力 ‑剪切位移曲线对应 的的非线性 统一本构模型 后， 得到完整 的峰值剪切型剪切应力 ‑剪切位移 曲线 对应的的非线性统一本构模型表达式 6.根据权利要求5所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法， 其 特征在于， 所述极限强度 τu＝39.802 MPa， 参数r和ksi的值分别为1.2197和58.431， 所述参数 β 和 η分别为0.312和7.104。 7.根据权利要求3所述的岩石结构面剪切破坏的非线性统一本构模型的构建方法， 其 特征在于， 当基于已知的剪切应力 ‑剪切位移曲线获取滑动破坏型剪切应力 ‑剪切位移曲线 对应的的非线性统一本构模型 时， 所述步骤S140的方法， 包括如下 步骤： 基于已知的剪切应力 ‑剪切位移曲线及试验数据， 得到极限强度 τu取值； 令参数ksi为0， 公式 简化为公式⑦： 将公式⑦简化为公式⑧： 将公式⑧等式两边取二次对数后简化 为公式⑨： 令 将lnδ视为自变量X， lnβ 视为截距Z， 参数η视为直线斜率， 则公式 ⑨ 变换成线性表达式Q＝ ηX+Z的形式然后将峰后阶段的试验数据按照Q与X的运算法则转变为 Q‑X形式的数据， 经线性拟合后反算获取 得到参数β 和 η 的取值； 将τu、 ksi、 β、 η取值分别代入至峰值剪切型剪切应力 ‑剪切位移曲线对应的的非线性统权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115406776 A 3