一种表征岩石应力与破裂的综合性指标计算方法及应用技术

本发明专利技术提供一种表征岩石应力与破裂的综合性指标计算方法及应用，属于岩石应力和破裂评价技术领域。该指标计算时，首先确定拉剪力矢量T，然后进行拉剪力矢量分解，再确定三维空间各拉剪力各分量，最后通过坐标转换，得到拉剪力指标。该指标结合目前常用的岩土分析软件，采用软件内置的编程语言FISH将拉剪力指标的计算过程编制为软件可调用的解算程序，利用ZoneExtra功能实现该指标的可视化。本发明专利技术可全面的反映岩石的应力大小、方向及破裂位置及损伤程度，且与工程实际更加相符，通过与目前常用的FLAC和3DEC数值模拟软件结合使用，可实现拉剪力指标的可视化，直观全面的反映围岩稳定状态。定状态。定状态。

【技术实现步骤摘要】
一种表征岩石应力与破裂的综合性指标计算方法及应用


[0001]本专利技术涉及岩石应力和破裂评价
，特别是指一种表征岩石应力与破裂的综合性指标计算方法及应用。

技术介绍

[0002]岩石工程是在岩体内部或表面进行施工的任何工程。人类的主要工程活动，如隧道工程、采矿工程、地铁工程、水利工程等均属于岩石工程。由于工程活动的对象为岩体，因此，围岩的稳定性直接决定着工程的安全。对围岩稳定状态进行准确的评价，是围岩支护、工程结构加固的重要依据。
[0003]目前对围岩稳定性进行评价的方法主要包括现场监测、围岩质量分级、模糊综合评判及数值模拟等。其中，数值模拟具有灵活、可重复性高、准确等优点，随着计算机能力的提高，逐渐成为了目前岩石工程稳定性评价的主要手段之一。采用数值模拟进行围岩稳定性分析时，通常采用应力、位移及塑性区等指标，但上述指标相互独立，通常需要将上述指标进行综合对比，才能对围岩稳定性进行较准确的判断，提高了分析难度，因此亟需一种新的指标，可综合反应岩石的应力、损伤及破裂状态，提高稳定性分析工作的效率和精度。
[0004]现有方法中，基于BQ、数值模拟的围岩稳定性动态评价方法提出了一种综合BQ与数值模拟的稳定性动态评价方法，但该方法需要结合多个指标，应用复杂。一种地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法提出了一种地下厂房多块体围岩变形的数值模拟方法，将非连续变形和有限单元法的优点进行了有效结合，但该方法对围岩的评价指标，仍只能反应围岩一种状态。基于Mohr
‑
Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法提出了一种基于Mohr
‑
Coulomb准则的围岩破坏危险性数值模拟评价方法，具有可操作性强的优点，但并不能直观的展示围岩的应力与破坏状态。
[0005]可见，当前数值模拟围岩指标只能反映围岩的单一状态，不能直观展示围岩稳定状态；塑性区指标无法准确有效的反映实际工程中，围岩的损伤程度。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是提供一种表征岩石应力与破裂的综合性指标计算方法及应用。
[0007]围岩是典型的硬脆性材料，抗拉强度和抗剪强度远远小于抗压强度，大量室内试验及工程案例显示，由于开采或开挖形成的塑性区多位于拉应力区内,呈拉或拉剪屈服。围岩的破坏往往由内部孔隙和缝隙扩展，且通常由拉剪应力引起，基于此，本专利技术提出一种拉剪力指标，表征岩石内部的应力及破裂分布。
[0008]该指标计算方法如下：
[0009](1)确定拉剪力矢量T：
[0010]在三维应力作用下内部岩体微单元实际受力分解为6个独立的应力分量，分别为σ
xx
、σ
yy
、σ
zz
、τ
xy
、τ
xz
和τ
yz
，拉剪力矢量T计算公式如下：
[0011]T＝F/A
[0012]其中，F为裂隙面上的拉剪力矢量，T为单位面积上的拉剪力矢量，A为裂隙面面积；
[0013](2)拉剪力矢量分解：
[0014]将T分解为垂直和平行裂隙面两个方向的分量，即法向向量n和切向向量s，则裂隙面法向应力σ、切向应力τ分别为：
[0015]σ＝T
·
n，τ＝T
·
s
[0016]上式中的法向应力σ、切向应力τ均为裂隙面上的标量。而对于拉剪力矢量与全应力张量的关系则为：
[0017]T＝σ
·
n
[0018]其中，σ为三维空间中的全应力张量；
[0019]将上式代入裂隙面法向应力与切向应力标量计算式，可得：
[0020]σ＝n
·
σ
·
n，τ＝s
·
σ
·
n
[0021]采用张量表示，可得：
[0022]σ＝σ
ij
n
i
n
j
，τ＝σ
ij
s
i
n
j
，
[0023]其中，下标i和j表示坐标系x、y、z；
[0024](3)确定三维空间各拉剪力各分量：
[0025][0026]其中，σ
xx
为x方向法应力，τ
xy
为xoy平面剪应力，τ
xz
为xoz平面剪应力，τ
yx
为yox平面剪应力，与τ
xy
相反，σ
yy
为y方向法应力，τ
yz
为yoz平面剪应力，τ
zx
为zox平面剪应力，与τ
xz
相反，τ
zy
为zoy平面剪应力，与τ
yz
相反，σ
zz
为z方向法应力，n
x
为x方向矢量，n
y
为y方向矢量，n
z
为z方向矢量，T
x
为x方向拉剪力矢量，T
y
为y方向拉剪力矢量，T
z
为z方向拉剪力矢量。
[0027](4)坐标转换，得到拉剪力指标：
[0028]F＝∫TdA＝∫σ
·
n dA
[0029]拉剪力F的大小表征了围岩裂隙面上所受应力的合力，合力越大，裂隙面越容易发生扩张，导致围岩破坏，因此，拉剪力也可以反映围岩的稳定程度。
[0030]其中，步骤(3)中首先将裂隙面放在整个岩石单元中，得到
[0031][0032]其中，cosθ和sinθ是垂直于裂隙面的单位分量，即n＝(cosθ,sinθ)，即n
x
＝cosθ，n
y
＝sinθ，θ为裂隙面与x轴的夹角，则上式为：
[0033][0034]再将上述二维平面形式扩展为三维空间，即得：
[0035][0036]该指标在具体应用时，方法如下：结合目前常用的岩土分析软件，采用软件内置的编程语言FISH将拉剪力指标的计算过程编制为软件可调用的解算程序，利用Zone Extra功能实现该指标的可视化，具体为：
[0037]①
读取并保存开采前围岩内部各单元应力值，包括σ
xx
、σ
yy
、σ
zz
、τ
xy
、τ
xz
和τ
yz
；
[0038]②
调用解算程序，进行拉剪力指标解算；
[0039]③
调用Zone Extra程序，输出拉剪力分布图。
[0040]本专利技术的上述技术方案的有益效果如下：
[0041]上述方案中，可全面的反映岩石的应力大小、方向及破裂位置及损伤程度，且与工程实际更加相符，通过与目前常用的FLAC和3DEC数值模拟软件结合使用，可实现拉剪力指标的可视化，直观全面的反映围岩稳定状态。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表征岩石应力与破裂的综合性指标计算方法，其特征在于：包括步骤如下：(1)确定拉剪力矢量T：在三维应力作用下内部岩体微单元实际受力分解为6个独立的应力分量，分别为σ
xx
、σ
yy
、σ
zz
、τ
xy
、τ
xz
和τ
yz
，拉剪力矢量T计算公式如下：T＝F/A其中，F为裂隙面上的拉剪力矢量，T为单位面积上的拉剪力矢量，A为裂隙面面积；(2)拉剪力矢量分解：将T分解为垂直和平行裂隙面两个方向的分量，即法向向量n和切向向量s，则裂隙面法向应力σ、切向应力τ分别为：σ＝T
·
n，τ＝T
·
s上式中的法向应力σ、切向应力τ均为裂隙面上的标量，而对于拉剪力矢量与全应力张量的关系则为：T＝σ
·
n其中，σ为三维空间中的全应力张量；将上式代入裂隙面法向应力与切向应力标量计算式，可得：σ＝n
·
σ
·
n，τ＝s
·
σ
·
n采用张量表示，可得：σ＝σ
ij
n
i
n
j
，τ＝σ
ij
s
i
n
j
，其中，下标i和j表示坐标系x、y、z；(3)确定三维空间各拉剪力各分量：其中，σ
xx
为x方向法应力，τ
xy
为xoy平面剪应力，τ
xz
为xoz平面剪应力，τ
yx
为yox平面剪应力，与τ
xy
相反，σ
yy
为y方向法应力，τ
yz
为yoz平面剪应力，τ
zx
为zox平面剪应力，与τ
xz
相...

【专利技术属性】
技术研发人员：付建新，宋卫东，汪杰，李杨，曹帅，谭玉叶，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：