CN110750894B - 一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法 - Google Patents

一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了岩石力学工程技术领域的一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，旨在解决现有技术中的围岩稳定分析方法由于未能将损伤度与长期强度建立联系，因而不能很好地评价岩石长期稳定性的技术问题。所述方法包括如下步骤：获取岩石的强度参数，所述岩石取样于所述岩体，所述强度参数包括岩石的长期强度参数；利用所述强度参数求取岩石的长期安全系数；利用所述长期安全系数对岩体工程的长期稳定性进行评价。

Description

一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，属于岩石力学工程技术领域。
背景技术
岩体质量是岩土工程安全的重要保障，岩石损伤程度是衡量岩体质量的重要标准。岩石经历漫长的成岩历史，其内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面。在岩石的变形破坏过程中，裂纹不断地萌生和扩展，会导致岩石的黏性系数发生变化。岩石的损伤是变形、破坏过程中裂隙产生和发展的结果，也是岩石材料力学性质逐步劣化的过程，岩石在蠕变变形破坏过程中也存在着损伤。通过对岩石的瞬时试验和蠕变试验结果进行分析，表明岩石在荷载作用下，随着时间的延长，其力学参数随着岩石损伤的逐步发展而劣化。
岩石的蠕变是指岩石的应力-应变-时间三者之间的相互关系，蠕变力学特性与岩土工程的长期稳定性和安全性密切相关，是研究岩石力学特性的重要性质之一。岩石的典型蠕变过程分为衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变三个阶段。当施加的荷载低于某一界限值时，岩石在该荷载的长期作用下，只出现蠕变的前两个阶段，应变最终趋于稳定数值，岩石一般不发生破坏；当施加的荷载超过此界限值时，在该荷载的长期作用下，由于应变不断累积，岩石最终发生蠕变破坏，此界限荷载定义为岩石的长期强度。岩体工程的破坏多发生在工程运营期间，因此，对岩石长期强度参数的确定，与岩体工程的长期稳定性和安全性密切相关。
工程实践与研究表明，岩土工程的破坏与失稳，在许多情况下并非在开挖形成以后立即发生，岩土体应力与变形是随时间变化而不断调整的，其调整过程往往需要延续一个较长的时期。例如，在隧道施工过程中，由于隧道开挖引起地下岩体应力重分布，通常会引起围岩的损伤，随着时间延长，损伤作用不断积累，最终可能导致围岩发生蠕变变形破坏。目前的围岩稳定分析方法，由于未能将损伤度与长期强度建立联系，因而不能很好地评价岩石的长期稳定性。因此，目前缺乏一种针对长期损伤度的岩石长期稳定安全分析的科学方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，以解决现有技术中的围岩稳定分析方法由于未能将损伤度与长期强度建立联系，因而不能很好地评价岩石长期稳定性的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，包括如下步骤：
获取岩石的强度参数，所述岩石取样于所述岩体，所述强度参数包括岩石的长期强度参数；
利用所述强度参数求取岩石的长期安全系数；
利用所述长期安全系数对岩体工程的长期稳定性进行评价。
进一步地，所述强度参数还包括岩石的Drucker-Prager强度准则的强度参数。
进一步地，根据岩石的强度参数求取岩石长期安全系数，包括：
根据损伤力学原理，利用所述长期强度参数求取岩石的损伤变量；
利用岩石的损伤变量和Drucker-Prager强度准则的强度参数，求取岩石的长期安全系数。
进一步地，所述长期安全系数，其计算公式如下：
Figure BDA0002233878500000021
其中，
d＝1-exp[-χ<σ-σ∞>t]，
I1＝σii，
Figure BDA0002233878500000022
Figure BDA0002233878500000023
式中，Fs为岩石的长期安全系数，d为岩石的损伤变量，α、k为岩石的Drucker-Prager强度准则的强度参数，t为时间，σ为岩石在时间t状态下的应力，I1为第一应力不变量，J2为第二偏应力不变量，χ为岩石的材料常数，σ∞为岩石的长期强度参数，<σ-σ∞>为开关函数，σii为正应力分量，sij为偏应力张量。
进一步地，利用所述长期安全系数对岩体工程的长期稳定性进行评价，包括：
如果长期安全系数大于1，判定岩体未破坏；
如果长期安全系数小于1，判定岩体已发生剪切破坏；
如果长期安全系数等于1，判定岩体处于破坏前的临界状态。
进一步地，所述长期强度参数的获取，包括：对岩石开展三轴蠕变力学试验。
进一步地，所述Drucker-Prager强度准则的强度参数的获取，包括：对岩石开展三轴压缩试验。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：基于损伤力学原理，根据岩石的长期强度参数和强度准则的强度参数，定义了能够表征岩石损伤度和长期强度之间关系的岩石长期安全系数，通过岩石的长期安全系数可以非常直观地判定围岩的长期稳定性，从而为岩体工程的施工和长期运营提供了可靠依据。本发明方法易于程序化，便于通过编程语言加以实现，通过计算机进行围岩长期稳定性的预测，大大减少了人工计算量。
附图说明
图1是本发明实施例中岩石的弹性模量随时间延长的变化规律示意图；
图2是本发明实施例中所述微裂隙发展过程中损伤变量的发展趋势示意图；
图3是本发明实施例中岩石在损伤作用下应力的变化趋势及与长期强度的关系示意图；
图4是本发明实施例中隧道围岩长期安全系数的变化规律示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明具体实施方式提供了一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，试样制备。在岩体工程现场选取完整的岩块，取得岩芯并加工制备成圆柱形的岩石标准试样，并剔除视觉上有缺陷的试样，试样尺寸为直径50mm、高100mm；
步骤二，对试样开展常规三轴压缩试验，获取岩石的初始弹性模量E0，以及岩石Drucker-Prager强度准则的强度参数α、k；
步骤三，对试样开展三轴蠕变力学试验，确定岩石的长期强度参数σ∞；
步骤四，根据损伤力学原理，利用初始弹性模量E0和长期强度参数σ∞，求取岩石的损伤变量d；
步骤五，利用损伤变量d和Drucker-Prager强度准则的强度参数α、k，求取岩石的长期安全系数Fs；
步骤六，利用岩石的长期安全系数Fs对岩体工程的长期稳定性进行评价。
更具体地，在步骤二中，通过岩石三轴力学实验系统，对岩石标准试样进行三轴压缩力学试验，获得试样在不同围压下的力学性质，从而确定岩石的初始弹性模量E0，以及岩石Drucker-Prager强度准则的强度参数α、k。
在步骤三中，通过岩石全自动三轴流变伺服仪，对岩石标准试样进行设定围压下的三轴蠕变力学试验，获得各级偏应力值和各级稳态环向应变率值等三轴蠕变试验结果，从而确定岩石的长期强度参数σ∞，确定长期强度参数σ∞的具体方法，可参照授权公告号为CN106908324B、名称为《一种基于卡萨格兰德法的岩石长期强度参数确定方法》的发明专利文献。
在步骤四中，基于损伤力学原理，按照能量损伤的方法定义，岩石的弹性模量E与损伤变量d之间，存在如下关系：
E＝E0(1-d)；
岩石的弹性模量E随时间延长的变化规律如图1所示，图中，σc为岩石峰值强度，εp表示塑性应变，εd表示损伤引起的应变，εe表示弹性应变，εpd为塑性应变与损伤应变之和，εed为弹性应变中由损伤引起的部分，
Figure BDA0002233878500000041
为初始弹性模量对应的应变值。损伤变量d根据上式可表示为：
d＝1-E/E0；
岩石在损伤作用下的弹性模量E与初始弹性模量E0之间关系如下：
E＝E0exp[-χ<σ-σ∞>t]，
式中，χ为岩石的材料常数，t为时间，σ为岩石在时间t状态下的应力，其中<σ-σ∞>为开关函数，其表达式如下：
Figure BDA0002233878500000051
岩石中微裂隙发展过程中，损伤变量d的发展趋势如图2所示，故可以建立起岩石的损伤变量d与长期强度参数σ∞之间的关系，表达式如下：
d＝1-exp[-χ<σ-σ∞>t]。
在步骤五中，基于损伤力学原理，岩石在损伤作用下的应力
Figure BDA0002233878500000052
可表示为：
Figure BDA0002233878500000053
岩石在损伤作用下的应力
Figure BDA0002233878500000054
的变化趋势如图3所示，图中，σ0代表岩石的初始应力值。将岩石的损伤变量d与长期强度参数σ∞之间的关系表达式代入上式，可得：
Figure BDA0002233878500000055
在考虑损伤作用后，岩石Drucker-Prager强度准则可修正为：
Figure BDA0002233878500000056
其中，
I1＝σii，
Figure BDA0002233878500000057
式中，α、k为岩石Drucker-Prager强度准则的强度参数，I1为第一应力不变量，J2为第二偏应力不变量，σii为正应力分量，sij为偏应力张量；
基于考虑损伤作用的Drucker-Prager准则，岩石的长期安全系数定义为：
Figure BDA0002233878500000058
在步骤六中，利用岩石的长期安全系数Fs对岩体工程的长期稳定性进行评价时，若围岩测点Fs>1，判定岩体未破坏；若Fs<1，判定岩体已发生剪切破坏；若Fs＝1，判定岩体处于破坏前的临界状态。而对于拉应力区，当拉应力大于抗拉强度时，单元发生拉伸破坏，此时可以定义安全系数Fs＝0。如图4所示，是本发明实施例中隧道围岩长期安全系数的变化规律示意图，从图中可以看出，该隧道围岩均处于未破坏状态。
本发明方法基于损伤力学原理，根据岩石的长期强度参数和强度准则的强度参数，定义了能够表征岩石损伤度和长期强度之间关系的岩石长期安全系数，通过岩石的长期安全系数可以非常直观地判定围岩的长期稳定性，从而为岩体工程的施工和长期运营提供了可靠依据。本发明方法易于程序化，便于操作和编程，通过计算机进行围岩长期稳定性的预测，有利于大大减少人工计算量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，其特征是，包括如下步骤：
获取岩石的强度参数，所述岩石取样于所述岩体，所述强度参数包括岩石的长期强度参数；
利用所述强度参数求取岩石的长期安全系数；
利用所述长期安全系数对岩体工程的长期稳定性进行评价；
所述强度参数还包括岩石的Drucker-Prager强度准则的强度参数；
根据岩石的强度参数求取岩石长期安全系数，包括：
根据损伤力学原理，利用所述长期强度参数求取岩石的损伤变量；
利用岩石的损伤变量和Drucker-Prager强度准则的强度参数，求取岩石的长期安全系数；
所述长期安全系数，其计算公式如下：
Figure FDA0003814623900000011
其中，
d＝1-exp[-χ<σ-σ∞>t]，
I1＝σii，
Figure FDA0003814623900000012
Figure FDA0003814623900000013
式中，Fs为岩石的长期安全系数，d为岩石的损伤变量，α、k为岩石的Drucker-Prager强度准则的强度参数，t为时间，σ为岩石在时间t状态下的应力，I1为第一应力不变量，J2为第二偏应力不变量，χ为岩石的材料常数，σ∞为岩石的长期强度参数，<σ-σ∞>为开关函数，σii为正应力分量，sij为偏应力张量。
2.根据权利要求1所述的基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，其特征是，利用所述长期安全系数对岩体工程的长期稳定性进行评价，包括：
如果长期安全系数大于1，判定岩体未破坏；
如果长期安全系数小于1，判定岩体已发生剪切破坏；
如果长期安全系数等于1，判定岩体处于破坏前的临界状态。
3.根据权利要求1所述的基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，其特征是，所述长期强度参数的获取，包括：对岩石开展三轴蠕变力学试验。
4.根据权利要求1所述的基于长期损伤度的岩体长期稳定安全分析方法，其特征是，所述Drucker-Prager强度准则的强度参数的获取，包括：对岩石开展三轴压缩试验。
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