【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及隧道与地下工程，尤其涉及一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法。
技术介绍
1、隧道与地下工程在开挖卸荷后围岩内部将发生应力重分布与能量集中现象，引起围岩力学性质产生显著变化而致使岩体破裂与能量释放，诱发不同烈度等级的岩爆工程围岩岩爆灾害实质上是应变能瞬态释放所导致的一种动力破坏失稳现象，围岩中应变能的积聚、运移与释放是岩爆发生的必要条件；因此基于能量理论可较好地解释岩爆动力源问题，对于进一步深化研究和揭示岩爆灾变过程的破坏机理至关重要。
2、目前针对深埋隧道岩爆灾变过程的应变能量化缺乏有效的数值仿真计算方法与非连续介质动力学理论，以往研究多采用基于连续介质力学的数值分析方法定性模拟能量运移－转化－分配－释放过程多局限于静力学范畴，忽略了深埋隧道开挖过程对应变能积聚、传递、转换与释放的全应力状态研究；此外，也未能充分考虑深埋隧道开挖过程中地应力强卸荷对岩爆动力破坏过程的影响，难以有效解决岩灾害爆由静态孕育过程到动态失稳破坏的不足。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的主要目的在于提供一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，基于岩石能量与全应力－应变的关系，通过对深埋隧道开挖卸荷后围岩应力调整过程应力与应变的实时监测，研究累积应变能在全应力状态下的运移－转化－分配－释放规律，定量预测深埋隧道施工过程中岩爆发生的破坏情况与烈度等级。
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案，
3、本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案
4、步骤1：建立基于工程实际问题的三维多晶离散元模型；
5、步骤2：选择合适的三维破坏准则与模型材料力学参数；
6、步骤3：设置沿模型边界的约束或控制条件及初始条件；
7、步骤4：模拟工程现场未受到扰动前的初始应力平衡状态；
8、步骤5：揭示工程开挖扰动作用下围岩多元信息响应特征；
9、步骤6：研究围岩弹性应变能的运移－转化－分配－释放规律；
10、步骤7：预测深埋隧道施工过程中岩爆发生的情况与等级。
11、在步骤1中，为保证数值模拟结果的真实可靠，能够真实反映围岩的受力情况，依据圣维南原理和隧道开挖的影响范围，以及消除模拟计算所产生的边界效应，并将半无限理论、三维块体离散元理论和多晶建模系统进行耦合，建立的深埋隧道岩爆灾害情景推演模型左右边界取隧道总跨度的3～5倍、上下边界取隧道总高度的2倍以上，再对三维多晶离散元模型进行不同网格单元密度划分(随机离散裂隙网格)，合理求解精度下的极限纵横比应控制在1:5以内，以达到精确仿真工程岩爆现象的目的。
12、在步骤2中，数值计算模型的本构关系采用本专利技术所提出的能够描述深埋硬岩力学行为且全面考虑岩石张拉和剪切破坏模式的三维破坏准则(即：拉伸裂纹沿着最大主应变的方向扩展，当主应变ε达到临界值时，拉伸裂纹开始扩展；剪切裂纹沿着最危险应力状态方向扩展，当滑动面上的应力状态超过smp破坏线时，剪切裂纹开始扩展)。在数值计算时，模型中的多面体与虚拟接触面被赋予相应的材料属性，并对岩石岩性作以下基本假设：岩石为均质、各向同性的连续体，符合弹塑性强度准则，材料参数满足弹塑性本构模型关系。所需的基本材料属性如下：密度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度、法向刚度、切向刚度、接触面摩擦角等。
13、此外，体积模量k、剪切模量g与弹性模量e、泊松比v之间的关系为：
14、
15、在步骤3中，力学边界条件通常采用boundary命令，使得力或应力可施加于任意边界或部分边界，该命令通常用来指定外力、应力、速度、位移等边界条件。初始边界条件能指定所有单元区域应力，命令insitu用于初始应力的指定，采用该命令赋值初始应力时可施加应力梯度以加快模型的初始平衡收敛。
16、在步骤4中，初始应力平衡状态计算可采用solve、step或cycle命令进行。使用step命令时，需指定进行计算的时序步以实现模型平衡，一般可直接使用solve命令使得计算模型达到平衡，当每一个多面体重心处的节点力或网格点上节点力矢量为零或小于1e-5时，认为模型达到平衡状态。当step命令运行后，最大节点力矢量(即最大不平衡力)可由三维块体离散元平台进行追踪监测并在屏幕上显示，通过此种方式来评估计算模型是否达到初始平衡状态。实际上，数值模拟分析最大不平衡力无法完全达到理论上的零值，一般认为最大不平衡力与模型分析初始所施加的力相比足够小时，即可认为模型处于平衡状态。例如，当最大不平衡力从最初的1mn降至100n左右，即最大不平衡力仅为初始不平衡力的0.01％，此时可认为模型达到力学平衡状态。
17、在步骤5中，对达到初始应力平衡状态的计算模型进行开挖工序，开挖完成后继续维持隧道计算模型的应力状态，绘制出工程开挖扰动作用下深埋隧道岩爆孕灾过程中应力、位移、速度等多元信息的三维数据可视化云图或曲面图，确定隧道围岩应力、应变集中区域，阐述岩爆灾变过程中应力场、变形场及破坏场(塑性区)等时空演化特征，揭示岩爆灾害致灾多元信息突变与致灾机理间的关联规律，为研究深埋隧道岩爆应变能的运移－转化－分配－释放规律提供支撑。
18、在步骤6中，依据能量与应力、应变的关系，采用式(2)进行计算隧道开挖后围岩应变能。
19、
20、式中：σ1,σ2,σ3分别为最大、中间与最小主应力；ε1,ε2,ε3分别为最大、中间与最小主应变；e为弹性模量；ν为泊松比。
21、在数值计算中，利用程序语言开发模块，编写计算代码传输接口程序将式(2)准确嵌入到三维块体离散元数值仿真平台中；对深埋隧道开挖卸荷后围岩应力调整过程中各个时刻各个监测点的信息数据进行处理，得到任一时刻所有多面块体单元的应力、应变数值，计算出应变能数值ue，并将其转化为三维数据可视化云图或曲面图，研究深埋隧道岩爆应变能的运移－转化－分配－释放全过程。
22、在步骤7中，建立基于全应力状态弹性应变能的岩爆判别指标。
23、①受压情况
24、岩体发生整体破坏时，在主应力σi(i＝1,2,3)方向，弹性应变能与能量释放率成正比，并依据最小压应力差分配弹性应变能，假设能量释放率的表达式为：
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【技术保护点】
1.一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述构建深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型的左右边界取隧道总跨度的3～5倍、上下边界取隧道总高度的2倍以上；并且对所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型进行不同网格单元密度划分，所述网格单元的极限纵横比应控制在1:5以内。
3.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，还包括：
4.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述初始应力平衡状态为所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型中的每一个多面体重心处的节点力或网格点上节点力矢量为零或小于1e-5时。
5.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述开挖卸荷作用下围岩的位移、应力与速度的多元信息的三维数据可视化为云图或曲面图，确定隧道围岩应力、应变集中区域，得到岩爆灾变过程中应力场、变形场及破坏场时空演化特征，进一步得到岩爆灾害致灾多元信息突变与致灾机理间的关联规律。
6.根据权利
7.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述建立岩爆判别指标，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述构建深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型的左右边界取隧道总跨度的3～5倍、上下边界取隧道总高度的2倍以上；并且对所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型进行不同网格单元密度划分，所述网格单元的极限纵横比应控制在1:5以内。
3.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，还包括：
4.根据权利要求1所述一种深埋隧道岩爆灾害等级预测方法，其特征在于，所述初始应力平衡状态为所述深埋隧道岩爆三维多晶离散元模型中的每一个多面体重心处的节点力或网格点上节点力...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙飞跃，郭佳奇，张小兵，陈帆，黄鑫，罗文玉，刘希亮，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：
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