(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 202210754380.2 (22)申请日 2022.06.28 (71)申请人 浙江华东工程建 设管理有限公司 地址 310000 浙江省杭州市余杭区高教路 201号1幢 申请人 中国电建集团华 东勘测设计 研究院 有限公司 (72)发明人 曾章波　裴志勇　董明名　王夏　 邓小芹　王圆圆　 (74)专利代理 机构 浙江杭州金通专利事务所有 限公司 3 3100 专利代理师 吉靖　刘晓春 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/10(2020.01)G06F 17/18(2006.01) G06F 17/16(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于空间随机分布微观剪切结构的土 石混合体 状态相关边界面模型的构建方法 (57)摘要 本发明提供一种基于空间随机分布微观剪 切结构的土石混合体状态相关边界面模型的构 建方法， 包括： S1、 通过空间投影建立宏观应变 ‑ 微观应变关系； S2、 建立考虑微观剪切结构空间 随机分布 影响的宏观 应力‑微观应力关系； S3、 建 立宏观平均应力 ‑宏观体应变关系； S4、 建立微观 应力‑剪胀关系； S5、 建立微观应力 ‑微观应变关 系； S6、 引入与密度和围压相关的状态参数， 建立 宏观和微观材料参数之间的关系； S7、 建立状态 相关的宏观应力 ‑宏观应变关系。 本发明的方法 所构建的模 型具有较好的模拟精度， 可以实现土 石混合体岩 土工程的计算模拟和安全分析， 不仅 对土石混合体相关工程的建设和运行具有重要 的现实意义， 而且对岩土学科的发展具有重要的 理论意义。 权利要求书3页 说明书7页 附图4页 CN 115374596 A 2022.11.22 CN 115374596 A 1.一种基于空间随机分布微观剪切结构 的土石混合体状态相关边界面模型的构建方 法， 其特征在于， 包括以下步骤： S1、 建立宏观应 变‑微观应变关系 以单位球作为土石混合体单元， 将复杂的宏观变形分解为一个宏观体积变形和由一系 列空间随机 分布的独立虚拟微观剪切结构产生的微观剪切变形； 微观剪切结构的方向由球 体的单位法向量n表 示； 微观剪切结构上的宏观偏 应变可以分解为一个法向(n)分量和两个 切向(s和t)分量， s和t为两个单位切向量； 通过空间投影， 宏观应 变‑微观应变关系为： 其中， 上标i为微观剪切 结构序号； 上标j＝1、 2、 3分别对应于s、 t、 n方向； 下标k、 l＝1、 2 、3 ； ε( i j )为 微 观 剪 应 变 ； εk l为 宏 观 应 变 张 量 ； δkl为Kronecker符号； sk、 tk、 nk分别为s、 t、 n的第k分量； sl、 tl、 nl分别为s、 t、 n的第l分量； S2、 建立宏观应力 ‑微观应力关系 根据能量守恒原理， 在球单元中， 宏观变形耗散的能量等于宏观体积变形耗散的能量 与微观剪切变形耗散的能量之和， 宏观应力 ‑微观应力关系为： 其中， σkl为宏观有效应力张量； σm为宏观平均有效应力； δkl为Kronecker符号； N为最大 微观剪切结构数； 为数值积分加权系数； σ(ij)为微观剪应力； f(i)为微观剪切结构的空间 随机分布密度函数， 反映土石混合体的初始各向异性， 当f(i)＝1时土石混合体为初始各向 同性； S3、 建立宏观 平均应力 ‑宏观体应变关系 宏观平均应力 ‑宏观体应变关系为： 其中， 和 分别为宏观弹性体应变和塑性体应变； h(*)为单位单位阶跃函数； <*>为 麦考利符号； σm为宏观平均有效应力； σmm为历史最大宏观平均有效应力； Ke和Kp分别为宏观 弹性体积模量和塑性体积模量， 其中： 其中， e为孔隙比； pa为标准大气压； κ＝κ0[(1+e)/(2.97 ‑e)]2， κ0为等向膨胀参数； σm为 宏观平均有效应力； λ＝λ0[(1+e)/(2.97 ‑e)]2， λ0为等向压缩参数； Rc为宏观临界应力比； R 为宏观应力比， 定义为 σkl为宏观有效应力张量； δkl为 Kronecker符号； g( θ )为屈服轨 迹函数； θ 为应力洛德角； S4、 建立微观应力 ‑剪胀关系权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115374596 A 2微观应力 ‑剪胀关系为： 其中， 为微观剪胀体应变； cd为剪胀参数； α(ij)＝σ(ij)/σm为微观应力比， σ(ij)为微观 剪应力， σm为宏观平均有效应力； 为微观塑性剪应变； 为微观剪胀应力比， 当 时 前取正号， 当 时 前取负号； S5、 建立微观应力 ‑微观应变关系 微观应力 ‑微观应变关系为： 其中， 为微观弹性剪应变； 为微观弹性剪切模量； 和 分别为对应于微观应 力比变化和宏观 平均有效应力变化的微观塑性剪切模量， 定义 为： 其中， cr1、 cr2和cp为模型参 数； 和 分别为微观边界应力比和历史最 大微观应力比； 当dα( i j )＞0时 前取正号 ， 当dα( i j )＜0时 前取负号 ； 为最近微观应力比转折点； 为微观临 界应力比； βp＝| σm‑σmr|； σmr为最近平均有效应力转 折点； S6、 建立宏观和微观材 料参数之间的关系 宏观和微观材 料参数之间的关系为： 其中， Ge为宏观弹性剪切模 量； G0为材料参数； Rb和Rd分别为宏观边界应力比和剪胀应力 比； Rd＝Rcexp(mdζ )； Rb＝Rcexp(‑mbζ )； md和mb为模型参数； ζ为状态参数， ζ＝e ‑ec； ec为临界 孔隙比， 定义 为： ec＝ce1+ce2ei‑ce3ln( σm/pa)           (15) 其中， ce1、 ce2和ce3为材料参数； ei为初始孔隙比； S7、 建立状态相关的宏观应力 ‑宏观应变关系 状态相关的宏观应力 ‑宏观应变关系为： dσkl＝Dklstdεst                            (16)权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115374596 A 3