(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 202210817193.4 (22)申请日 2022.07.12 (71)申请人 华南理工大 学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 赵伦洋　任璐　李永东　刘凌晖　 吕钊民　 (74)专利代理 机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 专利代理师 黄月莹 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构 模型建立方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑微裂隙闭合效应的 裂隙岩石本构模型建立方法， 包括以下步骤： 将 总应变分解为弹性应变、 塑性应变和微裂隙闭合 应变； 基于连续介质不可逆热力学原理推导本构 关系； 建立微裂隙闭合应变的演化方程； 建立包 含硬化/软化内变量的屈服准则和硬化/软化内 变量统一演化方程； 利用正交法则计算塑性应变 增量； 推导本构模型的增量形式和一致性切线张 量； 标定模型所需的参数等步骤。 本发明考虑了 岩石中天然存在的微裂隙在压应力作用下闭合 产生的微裂隙闭合应变， 建立了可描述岩石变形 破坏全过程的本构模型， 能够更准确地模拟岩石 非线性力学特性。 所建立的模型参数较少， 物理 意义明确， 均可通过常规三轴试验得到， 便于在 数值模拟中应用。 权利要求书2页 说明书10页 附图5页 CN 115169124 A 2022.10.11 CN 115169124 A 1.一种考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在于： 包括以下步 骤： 1)根据应力 ‑应变曲线图， 将总应变分解为弹性应变、 塑性应变和微裂隙闭合应变三部 分； 2)基于步骤1)所作应变分解， 将描述硬化/软化现象的变量作为内变量， 根据 Helmholtz自由能， 建立 考虑微裂隙闭合效应的岩石基于不可逆热动力学框架的本构关系； 3)构建用于描述压应力作用下微裂隙闭合应 变演化规律的模型； 4)建立包含硬化/软化内变量的屈服函数， 并基于广义塑性剪应变， 建立硬化/软化内 变量统一演化方程； 5)利用正交法则计算塑性应 变增量； 6)根据步骤3)和步骤4)中建立的闭合应变演化方程和屈服函数， 在步骤2)所得考虑裂 隙闭合效应的岩石本构关系基础上， 构建本构关系的增量形式和一 致性切线张量； 7)标定塑性势函数以及步骤3)、 步骤4)中建立的闭合应变演化方程和屈服函数中的模 型参数， 获得最终的本构模型。 2.根据权利要求1所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在 于： 根据岩石在三轴压缩试验中的应力应变曲线图， 将总应变分解为弹性应变、 塑性应变和 微裂隙闭合应 变三部分的具体包括： 岩石在三轴压缩试验中总应 变 ε分解为： ε＝ εe+ εc+ εp                 (1) 其中， εe是弹性应 变， εc是微裂隙闭合应 变， εp是塑性应 变。 3.根据权利要求1所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在 于： 在步骤2)中， 考虑微裂隙闭合效应的岩石基于不可逆热动力学框架的本构关系表达式 为： 其中， 式中， σ 为当前应力状态， ε是总应变， εc是微裂隙闭合应变， εp是塑性应变， 为弹性刚 度矩阵； μ和k分别为剪切模量和体积模量； 为四阶各向同性单位球张量； 为四阶各向同 性单位偏张量。 4.根据权利要求1所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在 于： 构建用于描述压应力作用下微裂隙闭合应 变演化规律的模型包括： 加载初期微裂隙闭合 导致的微裂隙闭合应 变 εc由以下张量方程 Q描述： 式中， σ 为 当前应力状态； p是平均主应力； Pm为单轴压缩下得到的最大微裂隙闭合应变； 为控制微裂隙演化速率的参数； 是与加载路径有关的参数。 5.根据权利要求1所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在 于： 屈服函数采用不同的屈服准则， 包括Mohr –Coulomb、 Drucker –Prager或Hoek –Brown屈服权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115169124 A 2准则。 6.根据权利要求1所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在 于： 硬化/软化现象的内变量κ 为： 式中， 其中， κ0是初始屈服时k的取值； A∈(1， +∞]是控制k演化速率的模型参数； ξ代表塑性演 化程度； 是广义塑性剪应变， 为四阶各向同性单位偏张量； 为峰值应力 处的广义塑性剪应 变， 称为临界广义塑性剪应 变， 即κ ＝1时γp的取值， εp是塑性应 变。 7.根据权利要求1所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在 于： 在步骤5)中， 利用正交法则计算塑性应 变增量如下： 其中， λp为塑性标量因子； 为塑性势函数， εp是塑性应 变， σ 为当前应力状态。 8.根据权利要求1所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在 于： 步骤6)的本构关系的增量形式的表达式为： 式中， dσ 为应力增量， dε为应 变增量， 为一致性切线张量。 9.根据权利要求8所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方法， 其特征在 于： 所述一致性切线张量 表示为： 式中， 为弹性刚度矩阵； 是四阶各向同性单位张量； 为微裂隙闭合应变演 化函数Q对应力σ 的偏导； 为屈服函数 对应力σ 的偏导； 为屈服函数 对内变量κ 的偏导； 为内变量κ对广义塑性剪应变γp的偏导； 为塑性势函 数 对应力σ 的偏导， 即塑性 流动方向。 10.根据权利要求1～9任一项所述考虑微裂隙闭合效应的裂隙岩石本构模型建立方 法， 其特征在于： 在步骤7)中， 标定的模型参数包括弹性模量E、 泊松比ν、 强度参数、 临界广 义塑性剪应变 膨胀系数ζ、 内变量k的初始值κ0、 控制k演化速率的模型参数A、 最大微裂 隙闭合应 变Pm、 微裂隙闭合速率 参数 权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115169124 A 3