一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法技术

本发明专利技术涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法。该方法以满足实际工程需求并服务工程为目标，以能反映岩石破坏本质的格里菲斯强度理为基础，以推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹脆性解为核心，以可考虑多种岩爆影响因素且能准确预测岩爆位置、深度、等级为特色。该方法依次推导了非轴对称外荷载条件下隧道围岩脆性破坏的格里菲斯强度理论公式，非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性理论解析解，岩爆孕育过程中的围岩起裂状态理论解，岩爆发展过程中的围岩起爆状态理论解，最终建立多因素岩爆预测模型。最终建立多因素岩爆预测模型。最终建立多因素岩爆预测模型。

A multi factor rockburst prediction method based on analytical method

【技术实现步骤摘要】
一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程
，具体涉及一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法。

技术介绍

[0002]隧道开挖后，围岩应力进行重分布。如果围岩应力处处小于岩体强度，则围岩仍然处于弹性状态；反之，当围岩某些区域的应力超过岩体强度，则围岩就会进入塑性或破坏状态。
[0003]岩爆是在坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧道过程中发生的，其是岩石被挤压到弹性极限，岩体内积聚的能量突然释放所造成的岩石破坏现象，其实质是岩石脆性破坏。岩爆的突发性脆性破坏，造成岩片(块)脱离母体，猛然向临空方向抛弹射，经历快速“劈裂一剪折一弹射”的渐进破坏过程。
[0004]目前预测或评价岩爆等级的方法主要是应力强度比法，其采用单纯的应力强度比法，无法准确预测或者评价岩爆发生的位置和等级，例如：当侧压力大于1时，理论上拱顶环向应力最大，按照应力强度比理论，此时隧道拱顶应力强度比最大，拱顶更可能发生岩爆，且拱顶的岩爆等级相比于边墙更高。但在实际隧道工程中，在高地应力条件下，岩爆主要发生在隧道的边墙、拱腰等部位。比如，锦屏二级水电站引水隧洞，边墙、拱肩、拱顶、拱底的岩爆发生的次数分别为348、147、138、11次。实际岩爆发生现象和理论预测的发生位置明显不符。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决应力强度比法无法准确预测评价岩爆发生的位置和等级的问题，提供一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法，其可考虑多种岩爆影响因素，对岩爆预测的位置和等级更加准确。
[0006]为解决现有技术问题，本专利技术采用技术方案为：一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法，其特征在于，步骤为：
[0007]步骤1、推导非轴对称外荷载条件下隧道围岩脆性破坏的格里菲斯强度理论公式；
[0008]步骤2、推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性理论解析解；
[0009]步骤3、推导岩爆孕育过程中的围岩起裂状态理论解析解；
[0010]步骤4、推导岩爆发展过程中的围岩起爆状态理论解析解；
[0011]步骤5、建立多因素岩爆预测模型。
[0012]进一步，步骤1的具体方法步骤为：
[0013]步骤1.1、根据格里菲斯强度理论的原理和内涵，分析脆性材料破裂的原因、破裂所需要的能量，以及破裂扩展的方向；
[0014]步骤1.2、根据格里菲斯强度理论主应力下的断裂判据，
[0015]格里菲斯强度判据为分段函数，在第一主应力σ1、第三主应力σ3的坐标系σ1‑
σ3下
的格里菲斯强度判据，具体为：
[0016]当σ1+3σ3＜0时，σ3＜
‑
σ
t
，
[0017]当σ1+3σ3＞0时，
[0018]步骤1.3、推导并提出非轴对称外荷载条件下，地下洞室围岩的格里菲斯起裂判据，
[0019]当(3σ
θ
+σ
r
)(σ
θ
+3σ
r
)＜4τ
rθ2
时，
[0020]判据为τ
rθ2
＜(σ
t
+σ
θ
)(σ
t
+σ
r
)
ꢀꢀꢀ
(4a)
[0021]当(3σ
θ
+σ
r
)(σ
θ
+3σ
r
)＞4τ
rθ2
时，
[0022]判据为4τ
rθ2
＜8σ
t
(σ
θ
+σ
r
)
‑
(σ
θ
‑
σ
r
)2ꢀꢀꢀ
(4b)。
[0023]进一步，步骤2的具体方法步骤为：
[0024]步骤2.1、根据弹性力学相关理论，推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性解；
[0025]非轴对称条件下弹性区应力场分量为：
[0026][0027][0028][0029]其中，环向应力为σ
θ
，径向应力为σ
r
，剪应力为τ
rθ
，洞径为a，围压为P，侧压力系数为λ；
[0030]步骤2.2、根据格里菲斯起裂判据的选择条件及判据，推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性应力分量组合表达式，根据应力场分量组合表达式可得应力场组合表达式为：
[0031][0032][0033][0034][0035]进一步，步骤3的具体方法步骤为：
[0036]步骤3.1、将应力场组合表达式带入起裂判据的选择条件(3σ
θ
+σ
r
)(σ
θ
+3σ
r
)＜4τ
rθ2
，得到起裂半径的隐函数，
[0037][0038]令则上式简化为，
[0039][(1+λ)(2+R)+(1
‑
λ)(1+3R2+2R)cos 2θ][(1+λ)(2
‑
R)+(1
‑
λ)(
‑1‑
3R2+6R)cos 2θ]＜[(1
‑
λ)(1+2R
‑
3R2)sin 2θ]2ꢀꢀꢀ
(7b)
[0040]当已知洞径a，侧压力系数λ时，求得围岩内任一位置(r,θ)处的判据选择条件；若不等式成立，则按照起裂判据
①
进行起裂评定；若不等式成立，则按照起裂判据
②
进行起裂评定；
[0041]步骤3.2、将应力场组合表达式带入起裂判据公式(4a)和(4b)，
[0042]将应力场组合表达式带入起裂判据公式(4a)得，
[0043][0044]起裂判据
②
：将应力场组合表达式带入起裂判据公式(4b)得，
[0045][0046]当已知围压P，侧压力系数λ，抗拉强度σ
t
，洞径a时，求得系数R，进而根据其与起裂半径r0的关系，求得具体位置θ处的起裂半径
[0047]进一步，步骤4的具体方法步骤为：
[0048]围岩起裂后，推导裂缝尖端应力或准爆体受力表达式；
[0049]裂缝尖端应力等效为新洞室的洞壁应力，表达式为：
[0050]σ
θ
(r,θ)＝P(1+λ)+2P(1
‑
λ)cos 2θ
ꢀꢀꢀ
(9a)
[0051]准爆体所受的平均压应力表达式为：
[0052][0053]当压应力σ
c
超过岩体抗压强度R
c
时，即σ
c
＞R
c
时，围岩则发生起爆。
[0054]进一步，步骤5的具体方法步骤为：
[0055]步骤5.1、剖析应力强度比判本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法，其特征在于，步骤为：步骤1、推导非轴对称外荷载条件下隧道围岩脆性破坏的格里菲斯强度理论公式；步骤2、推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性理论解析解；步骤3、推导岩爆孕育过程中的围岩起裂状态理论解析解；步骤4、推导岩爆发展过程中的围岩起爆状态理论解析解；步骤5、建立多因素岩爆预测模型。2.根据权利要求1所述的一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法，其特征在于，所述步骤1的具体方法步骤为：步骤1.1、根据格里菲斯强度理论的原理和内涵，分析脆性材料破裂的原因、破裂所需要的能量，以及破裂扩展的方向；步骤1.2、根据格里菲斯强度理论主应力下的断裂判据，格里菲斯强度判据为分段函数，在第一主应力σ1、第三主应力σ3的坐标系σ1‑
σ3下的格里菲斯强度判据，具体为：当σ1+3σ3＜0时，σ3＜
‑
σ
t
，当σ1+3σ3＞0时，步骤1.3、推导并提出非轴对称外荷载条件下，地下洞室围岩的格里菲斯起裂判据，当(3σ
θ
+σ
r
)(σ
θ
+3σ
r
)＜4τ
rθ2
时，判据为τ
rθ2
＜(σ
t
+σ
θ
)(σ
t
+σ
r
)
ꢀꢀꢀꢀ
(4a)当(3σ
θ
+σ
r
)(σ
θ
+3σ
r
)＞4τ
rθ2
时，判据为4τ
rθ2
＜8σ
t
(σ
θ
+σ
r
)
‑
(σ
θ
‑
σ
r
)2ꢀꢀꢀꢀ
(4b)。3.根据权利要求1或2所述的一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法，其特征在于，所述步骤2的具体方法步骤为：步骤2.1、根据弹性力学相关理论，推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性解；非轴对称条件下弹性区应力场分量为：非轴对称条件下弹性区应力场分量为：非轴对称条件下弹性区应力场分量为：其中，环向应力为σ
θ
，径向应力为σ
r
，剪应力为τ
rθ
，洞径为a，围压为P，侧压力系数为λ；步骤2.2、根据格里菲斯起裂判据的选择条件及判据，推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性应力分量组合表达式，根据应力场分量组合表达式可得应力场组合表达式为：洞室的弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：董长松，李国锋，富志鹏，李宁，韩常领，罗龙裕，苟超，吴凯强，宁少龙，马志伟，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：