一种洞室高应力硬岩时效破裂演化的耦合分析方法及装置制造方法及图纸

本申请提供了一种洞室高应力硬岩时效破裂演化的耦合分析方法及装置，用于提供高精度、多尺度且全方位的地下围岩岩石时效破裂演化的分析机制，尤其适用于大型地下围岩岩石时效破裂演化的分析需求。效破裂演化的分析需求。效破裂演化的分析需求。

【技术实现步骤摘要】
一种洞室高应力硬岩时效破裂演化的耦合分析方法及装置


[0001]本申请涉及岩体力学领域，具体涉及一种洞室高应力硬岩时效破裂演化的耦合分析方法及装置。

技术介绍

[0002]地下围岩洞室群的破坏可以理解为，由于开挖卸荷响应剧烈，以至于短期内岩体内部调整应力值大于岩石材料强度而发生局部破坏，如片帮或者岩爆等典型的高应力下脆性破坏，这类破坏往往随洞室施工作业的开展呈现出一种渐进式而非突发式的特征，如果不及时进行干预，显然容易引起大范围的岩体出现剥离或者失稳的破坏现象，对于人身、环境或者工程等方面造成较大的危害。
[0003]在上述背景下，洞室围岩失稳则是具有一定的时效性和规律性，且围岩破坏本身，与现场支护的方式、强度、时机等方面也有着密切的关系，为了避免开挖时支护破坏或失稳，了解洞室围岩的时效变形及破坏规律显然是极其重要的。
[0004]现有技术中对开挖卸荷过程中岩石的时效力学特性进行了一系列深入研究并取得了丰硕的研究成果，其研究手段包括众多室内常规试验、现场实时监测以及数值仿真等，其中，室内常规宏观试验包括：单轴压缩试验、常规三轴压缩试验以及流变试验等，室内常规微观试验包括SEM扫描电镜、X
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射线衍射、光学显微镜以及能谱仪测试等；现场实时监测包括围岩声波测试、钻孔摄像长期观察、多点位移计监测以及应力计监测等；数值仿真包括FLAC、PFC颗粒流以及ABAQUS分析等，总体研究尺度从微观到宏观逐步演化，以满足工程实际与试验成果相匹配。
[0005]但是本申请专利技术人发现，现有的地下围岩岩石时效破裂演化的研究分析方案中，分析精度与实际情况之间存在一定的差距，显然，所采用的方案精度有限，在进一步的研究中注意到，现有技术仅仅是从微观或者室内试验的单个角度来分析地下围岩岩石时效破裂演化，其中的模型参数更是有很大的局限性。

技术实现思路

[0006]本申请提供了一种洞室高应力硬岩时效破裂演化的耦合分析方法及装置，用于提供高精度、多尺度且全方位的地下围岩岩石时效破裂演化的分析机制，尤其适用于大型地下围岩岩石时效破裂演化的分析需求。
[0007]第一方面，本申请提供了一种洞室高应力硬岩时效破裂演化的耦合分析方法，方法包括：
[0008]分别获取目标洞室相关的花岗岩矿物的晶粒及晶界的力学特性、反映穿晶破裂的颗粒接触黏结时效模型、反映沿晶破裂的颗粒簇平行黏结时效模型还有不同尺寸形状的柔性颗粒簇充填几何模型；
[0009]开展目标洞室相关的室内岩样三轴卸荷蠕变试验并同步声发射检测(Acoustic Emission，AE)测试，并将测试结果结合花岗岩矿物的晶粒及晶界的力学特性、反映穿晶破
裂的颗粒接触黏结时效模型、反映沿晶破裂的颗粒簇平行黏结时效模型还有不同尺寸形状的柔性颗粒簇充填几何模型，建立室内岩样尺度的花岗岩3D细观结构模型，基于室内岩样尺度的花岗岩3D细观结构模型开展PFC
3D
模拟，通过标定时效模型参数，确定反映花岗岩时效破裂细观演化机制与细观结构特征的最大粒径柔性颗粒簇、岩体代表性体积单元(Representative Volume Element，RVE)尺寸；
[0010]基于最大粒径柔性颗粒簇以及岩体RVE尺寸确定初始的粘聚力弱化与摩擦强化(Cohesion Weakening and Friction Strengthening，CWFS)模型参数，并将初始的CWFS模型参数作为输入参数，结合现场围岩时效破裂区变形、岩体开裂和扰动应力的原位综合监测，反演宏观力学分析区的目标CWFS模型参数；
[0011]基于宏观力学分析区的目标CWFS模型参数，开展FLAC
3D
弹塑性分析，在分析过程中，采用岩体损伤指标精确定位时效破裂区的范围，并将最大粒径柔性颗粒簇，通过既有网格颗粒充填技术充填入时效破裂区网格内，再删除对应区域网格单元，如此构建地下洞室硬岩时效破裂细观演化机制的晶粒尺度颗粒元
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连续介质分区耦合几何模型；
[0012]基于晶粒尺度颗粒元
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连续介质分区耦合几何模型的基础上，采用与FLAC
3D
弹塑性分析相同的初始边界与应力条件，将时效破裂区的颗粒簇赋值上时效模型参数，将时效破裂区外的岩体赋值上目标CWFS模型及参数，再使用FLAC
3D
和PFC
3D
开展高应力分层开挖下的地下洞室群硬岩时效破裂演化机制的晶粒尺度颗粒元
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连续介质分区耦合分析。
[0013]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第一种可能的实现方式中，反映穿晶破裂的颗粒接触黏结时效模型以及反映沿晶破裂的颗粒簇平行黏结时效模型的获取过程中，包括以下内容：
[0014]根据目标洞室相关的晶粒压入蠕变和晶界划入蠕变试验结果，以基于非连续理论的Burger
’
s流变接触模型为基础，修正或者添加反映法向以及切向的接触刚度特性和强度特性的元件，来分别建立反映穿晶破裂的颗粒接触黏结时效模型以及反映沿晶破裂的颗粒簇平行黏结时效模型，并在PFC
3D
中二次开发实现。
[0015]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第二种可能的实现方式中，柔性颗粒簇充填几何模型的获取过程，包括以下内容：
[0016]通过3D细观结构数据化模型与PFC
3D
的数据接口，基于数据接口将表征晶粒嵌布分形特征的岩块3D细观结构模型的点云数据导入PFC
3D
中；
[0017]以岩块3D细观结构模型中的晶粒空间边界为墙体，采用逐步充填法充填不同大小粒径颗粒组成的柔性颗粒簇，由网格边界向网格中心逐步充填，构建反映花岗岩细观结构特征的初始柔性颗粒簇充填几何模型；
[0018]基于初始柔性颗粒簇充填几何模型、矿物晶粒嵌布形态的自相似性以及分形几何理论，按相同的分形特征扩大细观结构模型尺寸，并生成不同尺度、形状的花岗岩3D细观结构模型，继续充填入柔性颗粒簇，构建表征矿物晶粒嵌布分形特征和柔性颗粒簇充填的柔性颗粒簇充填几何模型。
[0019]结合本申请第一方面，在本申请第一方面第三种可能的实现方式中，时效模型参数的标定过程，包括以下内容：
[0020]基于颗粒接触黏结时效模型、颗粒簇平行黏结时效模型以及矿物单晶体柔性颗粒簇充填几何模型，开展单晶体压入蠕变以及单晶体划入蠕变的试验模拟；
[0021]通过参数敏感性分析和数据拟合，初步确定颗粒接触黏结时效模型以及颗粒簇平行黏结时效模型的模型参数；
[0022]基于室内岩样尺度的柔性颗粒簇充填几何模型、颗粒接触黏结时效模型以及颗粒簇平行黏结时效模型的模型参数，开展不同应力路径下室内岩样的三轴卸荷蠕变试验模拟；
[0023]通过与室内岩样三轴卸荷蠕变试验的宏观应力
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应变曲线、启裂强度、峰值强度、残余强度、AE特征以及宏细观破裂模式的对比验证，并结合宏观强度以及变形等效原则，标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种洞室高应力硬岩时效破裂演化的耦合分析方法，其特征在于，所述方法包括：分别获取目标洞室相关的花岗岩矿物的晶粒及晶界的力学特性、反映穿晶破裂的颗粒接触黏结时效模型、反映沿晶破裂的颗粒簇平行黏结时效模型还有不同尺寸形状的柔性颗粒簇充填几何模型；开展所述目标洞室相关的室内岩样三轴卸荷蠕变试验并同步声发射检测AE测试，并将测试结果结合所述花岗岩矿物的晶粒及晶界的力学特性、所述反映穿晶破裂的颗粒接触黏结时效模型、所述反映沿晶破裂的颗粒簇平行黏结时效模型还有所述不同尺寸形状的柔性颗粒簇充填几何模型，建立室内岩样尺度的花岗岩3D细观结构模型，基于所述室内岩样尺度的花岗岩3D细观结构模型开展PFC
3D
模拟，通过标定时效模型参数，确定反映花岗岩时效破裂细观演化机制与细观结构特征的最大粒径柔性颗粒簇、岩体代表性体积单元RVE尺寸；基于所述最大粒径柔性颗粒簇以及所述岩体RVE尺寸确定初始的粘聚力弱化与摩擦强化CWFS模型参数，并将所述初始的CWFS模型参数作为输入参数，结合现场围岩时效破裂区变形、岩体开裂和扰动应力的原位综合监测，反演宏观力学分析区的目标CWFS模型参数；基于所述宏观力学分析区的目标CWFS模型参数，开展FLAC
3D
弹塑性分析，在分析过程中，采用岩体损伤指标精确定位时效破裂区的范围，并将所述最大粒径柔性颗粒簇，通过既有网格颗粒充填技术充填入时效破裂区网格内，再删除对应区域网格单元，如此构建地下洞室硬岩时效破裂细观演化机制的晶粒尺度颗粒元
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连续介质分区耦合几何模型；基于所述晶粒尺度颗粒元
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连续介质分区耦合几何模型的基础上，采用与所述FLAC
3D
弹塑性分析相同的初始边界与应力条件，将所述时效破裂区的颗粒簇赋值上所述时效模型参数，将所述时效破裂区外的岩体赋值上所述目标CWFS模型及参数，再使用FLAC
3D
和PFC
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开展高应力分层开挖下的地下洞室群硬岩时效破裂演化机制的晶粒尺度颗粒元
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连续介质分区耦合分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反映穿晶破裂的颗粒接触黏结时效模型以及所述反映沿晶破裂的颗粒簇平行黏结时效模型的获取过程中，包括以下内容：根据所述目标洞室相关的晶粒压入蠕变和晶界划入蠕变试验结果，以基于非连续理论的Burger
’
s流变接触模型为基础，修正或者添加反映法向以及切向的接触刚度特性和强度特性的元件，来分别建立所述反映穿晶破裂的颗粒接触黏结时效模型以及所述反映沿晶破裂的颗粒簇平行黏结时效模型，并在所述PFC
3D
中二次开发实现。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性颗粒簇充填几何模型的获取过程，包括以下内容：通过3D细观结构数据化模型与所述PFC
3D
的数据接口，基于所述数据接口将表征晶粒嵌布分形特征的所述岩块3D细观结构模型的点云数据导入所述PFC
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中；以所述岩块3D细观结构模型中的晶粒空间边界为墙体，采用逐步充填法充填不同大小粒径颗粒组成的柔性颗粒簇，由网格边界向网格中心逐步充填，构建反映花岗岩细观结构特征的初始柔性颗粒簇充填几何模型；基于所述初始柔性颗粒簇充填几何模型、矿物晶粒嵌布形态的自相似性以及分形几何理论，按相同的分形特征扩大细观结构模型尺寸，并生成不同尺度、形状的花岗岩3D细观结构模型，继续充填入柔性颗粒簇，构建表征矿物晶粒嵌布分形特征和柔性颗粒簇充填的所述柔性颗粒簇充填几何模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时效模型参数的标定过程，包括以下内容：基于所述颗粒接触黏结时效模型、所述颗粒簇平行黏结时效模型以及矿物单晶体柔性颗粒簇充填几何模型，开展单晶体压入蠕变以及单晶体划入蠕变的试验模拟；通过参数敏感性分析和数据拟合，初步确定所述颗粒接触黏结时效模型以及所述颗粒簇平行黏结时效模型的模型参数；基于室内岩样尺度的柔性颗粒簇充填几何模型、所述颗粒接触黏结时效模型以及颗粒簇平行黏结时效模型的模型参数，开展不同应力路径下室内岩样的三轴卸荷蠕变试验模拟；通过与所述室内岩样三轴卸荷蠕变试验的宏观...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鼎平，马铭，李邵军，柳秀洋，江浩，李仁杰，王立波，陈卫兵，
申请(专利权)人：山东电力工程咨询院有限公司，
类型：发明
国别省市：