一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法技术

本发明专利技术公开了一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，包括如下步骤：S1、在RFPA软件中建立不同工况的岩体模型，包括不含裂纹的完整城门洞形岩体A，预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B，预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C及预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D；S2、输入岩体材料的基础参数，软件开始对各个工况模型进行数值模拟，并输出各个工况模型对应的裂纹扩展过程图，声发射规律图及应力应变曲线；S3、根据裂纹扩展过程图，声发射规律图及应力应变曲线，分析得出含有裂隙的城门洞岩体的破碎机理。本发明专利技术的分析方法可以掌握岩体的破碎机理，从而在实际工程中对这些裂纹部位加强防护，以防止灾害的产生。

A NUMERICAL ANALYSIS METHOD FOR FRACTURE MECHANISM OF DOOR-SHAPED FRACTURED ROCK MASS

【技术实现步骤摘要】
一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法
本专利技术涉及土木工程领域，尤其涉及一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法。
技术介绍
孔口问题是岩石力学中的经典问题，如巷道，水工隧洞等等，另外，孔洞缺陷作为岩石的基本性质，广泛存在于岩石结构中。对于含孔洞岩石在复杂应力作用下的岩石物理力学特性及裂纹扩展规律，国内外学者进行了大量的研究，对于单孔或者多孔洞方面：白雪元对含圆孔岩石试件进行了单轴压缩试验，并且利用连续—非连续数值模拟方法进行了数值模拟研究；腾俊洋含孔洞加锚的岩石双轴压缩下的断裂特性及稳定性进行了试验研究，得到了不同支护下的孔洞岩石破坏规律。以上研究均是针对圆形孔洞，然而在实际工程中，隧洞常常以城门洞形存在于岩体结构当中，对于含城门洞形的岩石结构在复杂应力作用下的岩石力学性质的研究则相对较少，李宁对城门洞型压力隧洞的衬砌限裂配筋设计方法进行了二维有限元研究，但是对于含城门洞形岩石的系统的力学特性却鲜有研究，对于含不同形式裂纹下的城门洞岩石破碎特性更是属于空白。因此，对含不同形式裂纹的城门洞岩石的破碎机理的认识无疑将对隧洞结构灾害的防治提供重要的参考作用。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术的缺陷，现提供一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，基于统计损伤理论，利用真实破裂分析软件RFPA，对含不同形式裂纹城门洞岩石破碎过程的物理力学性质进行了数值模拟，并分析得到岩石的破碎机理。技术方案：本专利技术所揭示的一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，包括如下步骤：S1、在RFPA软件中建立不同工况的岩体模型，包括不含裂纹的完整城门洞形岩体A，预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B，预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C及预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D；S2、输入岩体材料的基础参数，软件开始对各个工况模型进行数值模拟，并输出各个工况模型对应的裂纹扩展过程图，声发射规律图及应力应变曲线；S3、根据裂纹扩展过程图分析不同扩展阶段裂纹产生顺序及裂纹属性，根据声发射规律图分析裂纹的破坏属性，根据应力应变曲线分析预制裂纹与峰值强度的关系，从而得出含有裂隙的城门洞岩体的破碎机理。优选的，步骤S1中预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B包括：预制裂纹位于侧边底部的岩体B1，预制裂纹位于侧边中部的岩体B2和预制裂纹位于侧边上部的岩体B3，且预制裂纹与侧边的夹角为135°。优选的，步骤S1中预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C包括：预制裂纹位于底边1/2处的岩体C1，预制裂纹位于底边1/4处的岩体C2和预制裂纹位于底边端部的岩体C3，且预制裂纹与底边的夹角为135°。优选的，步骤S1中预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D中预制裂纹与顶拱具有不同夹角，包括夹角为0°的岩体D1，夹角为15°的岩体D2，夹角为30°的岩体D3，夹角为45°的岩体D4，夹角为60°的岩体D5，夹角为75°的岩体D6，夹角为90°的岩体D7。优选的，所述步骤S3中对不含裂纹的完整城门洞形岩体A的具体分析包括：根据裂纹扩展过程图可知，首先在城门洞上下产生拉裂纹，然后在左侧边产生远场裂纹；根据声发射规律图可知，城门洞上下产生的拉裂纹属于拉破坏，左侧产生的远场裂纹属于拉剪复合型破坏；根据应力应变曲线可知其峰值强度不变。优选的，所述步骤S3中预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B的具体分析包括：根据裂纹扩展过程图可知，首先在城门洞上下产生拉裂纹，且底部拉裂纹逐步向侧边的预制裂纹处偏移，然后在左侧边产生远场拉剪裂纹，而在预制裂纹处产生反翼裂纹；根据声发射规律图可知，城门洞上下首先产生拉破坏，然后剪破坏在预制裂纹尖端处集中，最终在左侧边及反翼裂纹处产生拉剪破坏；根据应力应变曲线可知，侧边三个位置的预制裂纹中，峰值强度随着裂纹高程的升高而降低，且平均峰值强度相对于岩体A下降11.3％。优选的，所述步骤S3中预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C的具体分析包括：根据裂纹扩展过程图可知，首先在城门洞顶拱产生拉裂纹扩展，在底边预制裂纹尖端产生翼裂纹，然后在左侧边产生远场裂纹，同时在预制裂纹尖端产生反翼裂纹；根据声发射规律图可知，顶拱的拉裂纹及底边的翼裂纹属于拉破坏，反翼裂纹及远场裂纹属于拉剪破坏；根据应力应变曲线可知，底边三个位置的预制裂纹中，裂纹越靠近端部，峰值强度越低，且平均峰值强度相对于岩体A下降7.8％。优选的，所述步骤S3中预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D的具体分析包括：根据裂纹扩展过程图可知，首先在城门洞底边及顶拱预制裂纹处产生翼裂纹，然后裂纹随着主应力发展贯通试件发生破坏，且对于不同夹角的预制裂纹，其对顶拱处翼裂纹的影响不同，夹角越大，翼裂纹越大；根据声发射规律图可知，翼裂纹属于拉剪复合破坏，底部裂纹属于拉破坏；根据应力应变曲线可知，顶拱七个位置的预制裂纹中，预制裂纹角度越大，峰值强度越高，且平均峰值强度相对于岩体A下降12.6％。有益效果：本专利技术所揭示的一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，分析城门洞岩体的破碎规律，以及不同裂纹赋存形式下城门洞岩体的破碎及裂纹扩展规律，从而在实际工程中对这些裂纹部位加强防护，以防止灾害的产生。附图说明图1为本专利技术实施例中不同岩体中裂纹赋存情况图，其中a为不含裂纹的完整城门洞形岩体A，b为预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B，c为预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C，d为预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D；图2为本专利技术实施例中数值模拟与试验结果对比图；图3为本专利技术实施例中四种岩体的裂纹扩展图，其中a为不含裂纹的完整城门洞形岩体A的裂纹扩展过程图，b为预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B的裂纹扩展过程图，c为预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C的裂纹扩展图，d为预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D的裂纹扩展图；图4为本专利技术实施例中四种岩体的声发射图，其中：a为不含裂纹的完整城门洞形岩体A的声发射图，b为预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B的声发射图，c为预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C的声发射图，d为预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D的声发射图；图5为本专利技术实施例中岩体A数值模拟过程中城门洞周围拉应力分布情况图；图6为本专利技术实施例中不同工况下最终破坏形式图，其中：a为岩体A的破坏形式图，b为岩体B1的破坏形式图，c为岩体B2的破坏形式图，d为岩体B3的破坏形式图，e为岩体C1的破坏形式图，f为岩体C2的破坏形式图，g为岩体C3的破坏形式图，h为岩体D1的破坏形式图，i为岩体D2的破坏形式图，j为岩体D3的破坏形式图，k为岩体D4的破坏形式图，l为岩体D5的破坏形式图，m为岩体D6的破坏形式图，n为岩体D7的破坏形式图；图7为本专利技术实施例中不同工况的应力应变曲线图；图8为本专利技术实施例中峰值强度统计图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术所揭示的一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，主要分析城门洞岩体的破碎规律，以及不同裂纹赋存形式下城门洞岩体的破碎及裂纹扩展规律，从而在实际工程中对这些裂纹部位加强防护，以防止灾害的产生。本分析方法基于统计损伤理论，利用真实破裂分析软件RFPA对不同裂纹赋存形式的城门洞岩体的破碎过程进行物理力学性质的数值本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，其特征在于包括如下步骤：S1、在RFPA软件中建立不同工况的岩体模型，包括不含裂纹的完整城门洞形岩体A，预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B，预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C及预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D；S2、输入岩体材料的基础参数，软件开始对各个工况模型进行数值模拟，并输出各个工况模型对应的裂纹扩展过程图，声发射规律图及应力应变曲线；S3、根据裂纹扩展过程图分析不同扩展阶段裂纹产生顺序及裂纹属性，根据声发射规律图分析裂纹的破坏属性，根据应力应变曲线分析预制裂纹与峰值强度的关系，从而得出含有裂隙的城门洞岩体的破碎机理。

【技术特征摘要】
1.一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，其特征在于包括如下步骤：S1、在RFPA软件中建立不同工况的岩体模型，包括不含裂纹的完整城门洞形岩体A，预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B，预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C及预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D；S2、输入岩体材料的基础参数，软件开始对各个工况模型进行数值模拟，并输出各个工况模型对应的裂纹扩展过程图，声发射规律图及应力应变曲线；S3、根据裂纹扩展过程图分析不同扩展阶段裂纹产生顺序及裂纹属性，根据声发射规律图分析裂纹的破坏属性，根据应力应变曲线分析预制裂纹与峰值强度的关系，从而得出含有裂隙的城门洞岩体的破碎机理。2.根据权利要求1所述的一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，其特征在于：步骤S1中预制裂纹位于侧边的城门洞形岩体B包括：预制裂纹位于侧边底部的岩体B1，预制裂纹位于侧边中部的岩体B2和预制裂纹位于侧边上部的岩体B3，且预制裂纹与侧边的夹角为135°。3.根据权利要求1所述的一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，其特征在于：步骤S1中预制裂纹位于底边的城门洞形岩体C包括：预制裂纹位于底边1/2处的岩体C1，预制裂纹位于底边1/4处的岩体C2和预制裂纹位于底边端部的岩体C3，且预制裂纹与底边的夹角为135°。4.根据权利要求1所述的一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，其特征在于：步骤S1中预制裂纹位于顶拱的城门洞形岩体D中预制裂纹与顶拱具有不同夹角，包括夹角为0°的岩体D1，夹角为15°的岩体D2，夹角为30°的岩体D3，夹角为45°的岩体D4，夹角为60°的岩体D5，夹角为75°的岩体D6，夹角为90°的岩体D7。5.根据权利要求1所述的一种门洞形裂隙岩体的破碎机理数值分析方法，其特征在于：所述步骤S3中对不含裂纹的完整城门洞形岩体A的具体分析包括：根据裂纹扩展过程图可知，首先在城门洞上下产生拉裂纹，然后在左侧边产生远场裂纹；根据声发射规律图可知...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈强儒，田源，张珂峰，崔建荣，曹慧，汤天培，陆峰，
申请(专利权)人：江苏旭辰交通科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32