(19)中华 人民共和国 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 202111462318.8 (22)申请日 2021.12.02 (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　林治宇　 李瑞　尹子怡　徐帆　汤艺　 陈怡帆　雍伟勋　 (74)专利代理 机构 长沙永星专利商标事务所 (普通合伙) 43001 代理人 周咏　米中业 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 17/18(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种岩土材 料本构模型建立方法 (57)摘要 本发明公开了一种岩土材料本构模型建立 方法， 包括进行单轴压缩试验， 基于轴向应力差 确定压密点和屈服点； 基于孔隙的压实特性， 计 算岩石基质的轴向应变和孔隙的轴向应变， 建立 多级加载后， 屈服点之前的本构模型； 通过基于 屈服点修正的宏观应变的概率密度函数， 建立屈 服点之后的本构模型； 结合屈服点之前的本构 模 型和屈服点之后的本构模型， 完成岩土材料本构 模型的建立。 本发明利用对岩石压密阶段的分 析， 并采用了屈服点对现有应变的概率密度函数 进行修正， 与试验结果吻合较好， 保证了对岩石 压缩变形行为描述的精确性， 尤其适用于岩土工 程领域的理论建模以及工程稳定性分析。 权利要求书4页 说明书12页 附图13页 CN 114357564 A 2022.04.15 CN 114357564 A 1.一种岩土材 料本构模型建立方法， 其特 征在于包括如下步骤： S1.进行单轴压缩试验， 基于轴向应力差确定 压密点和 屈服点； S2.基于孔隙的压实特性， 计算岩石基质的轴向应变和孔隙的轴向应变， 建立多级加载 后， 屈服点之前的本构模型； S3.通过基于屈服 点修正的宏观应 变的概率密度函数， 建立屈服 点之后的本构模型； S4.结合屈服点之前的本构模型和屈服点之后的本构模型， 完成岩土材料本构模型的 建立。 2.根据权利要求1所述的岩土材料本构模型建立方法， 其特征在于所述的步骤S1， 包括 对岩石试样进行单轴压缩试验， 基于试验数据建立岩石 试样的轴向应变 ‑轴向应力曲线图； 绘制基于弹性模量的参考直线； 绘制应力差 ‑应变曲线， 包括计算轴向应力 ‑应变曲线上 的 每个试验数据点与参考直线之间的轴向应力差； 求得的应力差 ‑应变曲线水平端的一端为 压密点， 另一端为屈服 点。 3.根据权利要求2所述的岩土材料本构模型建立方法， 其特征在于所述的步骤S1， 包括 对岩石试样进行单轴压缩试验， 基于试验数据建立岩石 试样的轴向应变 ‑轴向应力曲线图； 绘制基于弹性模量E的参考直线， 参考直线的公式为σi*＝Eεi， 其中， σi*为参考应力， εi表示 应变； 绘制应力 差‑应变曲线， 包括计算轴向应力 ‑应变曲线上的每个试验数据点( εi, σi)与 参考直线σi*＝E εi之间的轴向应力差( σi*‑σi)； σi表示应力； 求 得的应力差 ‑应变曲线水平 端 的一端为压密点a， 另一端为屈服 点b。 4.根据权利要求3所述的岩土材料本构模型建立方法， 其特征在于所述的步骤S2， 包括 如下步骤： A1.建立柱状岩石单 元的初始模型； A2.基于孔隙的压实特性， 计算岩石基质的轴向应 变和孔隙的轴向应 变； A3.将轴向应力下的变形代入柱状岩石模型中， 获取岩石的基础本构模型； A4.将步骤A2获取的岩石基质的轴向应变和孔隙的轴向应变代入步骤A3岩石的基础本 构模型， 获取屈服 点前的岩石的最终本构模型。 5.根据权利要求4所述的岩土材料本构模型建立方法， 其特征在于所述的步骤A1， 包括 沿轴向应力方向取一个代表性的柱状岩石 单元， 设置柱状岩石 单元的轴向长度为L， 岩石基 质长度为Lm， 孔隙长度为Lv， γ为孔隙在柱状岩石单元的比例； 所述的步骤A2， 包括求 得加载 后的岩石基质的轴向应 变 εm： 其中， Em表示岩石基质的弹性模量； μm表示岩石基质的泊松比； σ1表示最大主应力； σ2表 示中间主应力； σ3表示最小主应力； 并设压缩后孔隙的长度为 则孔隙的轴向应 变 εv为： 其中， Lv为孔隙长度； 应力σi在压缩试验中视为多级加载， 第i级的应力增量为 趋于无穷小； 孔隙权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114357564 A 2的轴向应 变 εv为每一级应力增量作用下的应 变Δ εv,i之和： 其中， Evi表示第i级应力增量 对应的孔隙变形模量； 根据推导得到压缩后孔隙的长 度 其中， Lv为孔隙长度； Evi表示第i级应力增量 对应的孔隙变形模量； 从而求 得压缩后 的孔隙的轴向应 变 εv： 其中， σ1表示最大主应力； Ev为孔隙的弹性模量。 6.根据权利要求5所述的岩土材料本构模型建立方法， 其特征在于所述的步骤A3， 包括 设岩石基质的变形量为ΔLm， 孔隙的变形量为ΔLv， 计算获取岩石基质的轴向应变 εm与岩石 基质的变形量ΔLm的关系和孔隙的轴向应 变 εv与孔隙的变形量ΔLv的关系： 其中， L为柱状岩石单元的轴向长度； ΔLm为岩石基质变形量； ΔLv为孔隙变形； γ为孔 隙在柱状岩石单元的比例； 设柱状岩石单元在轴向应力作用下的宏观变形ΔL＝Δ Lm+ΔLv， 求得岩石的基础本构模型： 其中， ε为宏观应变， L为柱状岩石单元的轴向长度； ΔLm为岩石基质变形量； ΔLv为孔隙 变形； γ为 孔隙在柱状岩石单 元的比例。 7.根据权利要求6所述的岩土材料本构模型建立方法， 其特征在于所述的步骤A4， 包括 将步骤A2获取的岩石基质的轴向应变 εm和孔隙的轴向应变 εv代入步骤A3岩石的基础本构模 型， 获取屈服 点前的岩石的最终本构模型： 其中， E表示岩石材料的弹性模量； μ表示屈服点前岩石材料的泊松比； γ为孔隙在柱状 岩石单元的比例； Ev为孔隙的弹性模量； σ1表示最大主应力； σ2表示中间主应力； σ3表示最小 主应力； 计算孔隙的弹性模量Ev和孔隙在柱状岩石单元的比例γ， 包括： 对于单轴压缩下的应权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114357564 A 3