一种岩石多尺度破裂评估指标的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种真三维应力下岩石多尺度破裂评估指标的构建方法，包括以下步骤：S1、基于Mogi

【技术实现步骤摘要】
一种岩石多尺度破裂评估指标的构建方法


[0001]本专利技术涉及岩石力学性能与工程研究领域，具体涉及一种岩石多尺度破裂程度评估指标的构建方法。

技术介绍

[0002]数值计算分析软件为工程稳定性分析和优化开挖支护设计提供重要的参考依据。然而，通常的数值分析软件的计算结果往往只能给出塑性区或安全系数指标，塑性区显示的是岩石发生塑性变形区域，无法评估岩石破裂程度；安全系数指标只评估岩石工程整体安全度，无法评估岩石渐进式损伤破坏过程和局部化的风险区具体位置。由于缺乏真三维应力状态下岩石损伤、微破裂到破裂等多尺度评价指标，数值计算结果不能进一步评估岩石工程开挖的破裂演化行为、岩石破裂程度和重点风险区位置、范围。
[0003]因此，本专利技术提出一种岩石多尺度破裂程度评估指标的构建方法，对于研究高应力深部工程开挖响应分析、岩石破坏区的演化和安全度评价具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种岩石多尺度破裂程度评估指标的构建方法，直观和定量地表征真三维应力状态下岩石的破裂位置、范围和破坏程度，为高应力深部岩石工程安全度评价和稳定性分析提供理论依据。
[0005]为了达到以上技术目的，本专利技术提供一种岩石多尺度破裂程度评估指标的构建方法，其步骤包括：
[0006]S1、基于Mogi
‑
Coulomb三维强度准则，建立岩石多尺度屈服函数F；
[0007]S2、依据三维强度准则强度包络线和屈服面与应力点的几何关系，构建岩石多尺度破裂程度评估指标公式；
[0008]S3、基于岩石多尺度破裂程度评估指标范围分区评估岩体破裂程度。
[0009]所述步骤S1中，采用Mogi
‑
Coulomb准则，建立三维岩石多尺度屈服函数F，其方法为：
[0010]基于Mogi
‑
Coulomb准则建立的有效平均应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系为：
[0011]τ
oct
＝a+bσ
m, 2
ꢀꢀꢀ
(1)
[0012][0013][0014]其中，σ1、σ2和σ3分别为最大主应力、中间主应力和最小主应力，c和分别为粘聚力和内摩擦角；
[0015]三维应力空间的主应力公式如下：
[0016][0017]其中，q、p和θ
σ
分别为等效剪应力、平均应力和洛德角；
[0018][0019][0020][0021]基于Mogi
‑
Coulomb准则和空间主应力公式(4)的关系建立的三维岩石多尺度屈服函数F方程为：
[0022][0023][0024]所述步骤S2中，基于岩石多尺度屈服函数F，绘制屈服函数的强度包络线和屈服面，点P(p,q)为平均应力p与等效剪应力q子午面上的应力点，点B(p,q')位于屈服面上；
[0025]在π平面上，点B位于屈服面上，所以B点坐标满足屈服函数式(8)；
[0026][0027][0028]当应力点P在屈服面内时(F<0),岩石多尺度破裂程度评估指标RMFD为：
[0029][0030]当应力点P在屈服面上时(F＝0),由屈服后的等效塑性应变ε
sp
定义岩石多尺度破裂程度评估指标RMFD：
[0031][0032][0033]其中，为等效塑性应变的极值，和分别为最大塑性主应变、中间塑性主应变和最小塑性主应变。
[0034]所述步骤S3中，对岩石试样进行真三轴压缩试验，获得真三轴应力水平下岩石的特征应力：岩石内部裂纹稳定扩展起点对应的应力σ
ci
、岩石内部裂纹非稳定扩展起点对应的应力σ
cd
、峰值强度σ
p
和残余强度σ
r
；
[0035]基于RMFD范围分区评估岩体破裂程度如下：
[0036][0037]其中，RMFD
ci
和RMFD
cd
分别为真三轴应力下岩石内部裂纹稳定扩展起点对应的应力σ
ci
和岩石内部裂纹非稳定扩展起点对应的应力σ
cd
处对应的RMFD值；
[0038]当RMFD<RMFD
ci
时，对应真三轴压缩下岩石全应力应变曲线的σ
ci
之前的阶段，岩体处于弹性状态，定义为未扰动区；
[0039]当RMFD处于RMFD
ci
～RMFD
cd
范围时，对应真三轴压缩下岩石全应力应变曲线的σ
ci
与σ
cd
之间的阶段，定义为扰动区；
[0040]当RMFD处于RMFD
cd
～1.0范围时，对应真三轴压缩下岩石全应力应变曲线的σ
cd
与σ
p
之间的阶段，定义为损伤区；
[0041]当RMFD处于1.0～2.0范围时，对应真三轴压缩下岩石全应力应变曲线的σ
p
与σ
r
的阶段，定义为破裂区；
[0042]当RMFD≥2时，令其值为2，对应真三轴压缩下岩石全应力应变曲线的σ
r
之后的阶段，定义为完全破裂区。
[0043]本专利技术的有益效果为：
[0044]1、本专利技术提出指标可用于真三维应力状态下岩石破裂程度评估。
[0045]2、本专利技术提出指标可用于深部岩石工程破坏灾变过程和灾变位置、范围、程度评估。
附图说明
[0046]图1为本专利技术的岩石多尺度破裂评估指标构建流程图；
[0047]图2为三维强度准则包络线的子午线与应力点几何关系；
[0048]图3为π平面上应力点与屈服面的关系；
[0049]图4为真三轴压缩岩石破坏的RMFD演化过程和取值；
[0050]图5为硐室分步开挖后的RMFD云图。
具体实施方式
[0051]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，但本专利技术不限于具体实施方式的范围。在此需要说明的是，在本专利技术基础上进行创造或依附本专利技术进行创造的均在本专利技术的保护范围内。
[0052]本实施例对深部地下工程的开挖响应进行数值模拟，构建并验证岩石多尺度破裂程度评估指标的适用性和可靠性。
[0053]参考图1，图1示出了岩石多尺度破裂评估指标构建流程图，如图1所示，该方法包括步骤S1至步骤S3。
[0054]在步骤S1中，基于Mogi
‑
Coulomb准则建立三维岩石多尺度屈服函数F：
[0055][0056][0057]其中，q、p和θ
σ
分别为等效剪应力、平均应力和洛德角，粘聚力c为32MPa，内摩擦角为45
°
。
[0058]在步骤S2中，依据屈服函数的强度包络线的子午线、三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种岩石多尺度破裂程度评估指标的构建方法，包括以下步骤：S1、基于Mogi
‑
Coulomb三维强度准则，建立岩石多尺度屈服函数F；S2、依据三维强度准则强度包络线和屈服面与应力点的几何关系，构建岩石多尺度破裂程度评估指标公式；S3、基于岩石多尺度破裂程度评估指标范围分区评估岩体破裂程度。2.根据权利要求1所述的一种岩石多尺度破裂程度评估指标的构建方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用Mogi
‑
Coulomb准则，建立三维岩石多尺度屈服函数F，其方法为：基于Mogi
‑
Coulomb准则建立的有效平均应力σ
m,2
和八面体剪应力τ
oct
的关系为：τ
oct
＝a+bσ
m,2m,2
其中，σ1、σ2和σ3分别为最大主应力、中间主应力和最小主应力，c和分别为粘聚力和内摩擦角；三维应力空间的主应力公式如下：其中，q、p和θ
σ
分别为等效剪应力、平均应力和洛德角；分别为等效剪应力、平均应力和洛德角；基于Mogi
‑
Coulomb准则和空间主应力公式的关系建立的三维岩石多尺度屈服函数F方程为：程为：3.根据权利要求1所述的一种岩石多尺度破裂程度评估指标的构建方法，其特征在于，所述步骤S2中，基于岩石多尺度屈服函数F，绘制屈服函数的强度包络线和屈服面，点P(p,q)为平均应力p与等效剪应力q子午面上的应力点，点B(p,q')位于屈服面上；在π平面上，B点位于屈服面上，所以B点坐标满足屈服函数F＝0；
当应力点P在屈服面内时(F<0),岩石多尺度破裂程度评估指标RMFD为：当应力点P在屈服面上时(F＝0)，岩石多尺度破裂程度评估指标RMFD为：当应力点P在屈服面上时(F＝0)，岩石多尺度破裂程度评估指标RMFD为：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志，李荣华，江权，苏国韶，邱士利，郑虹，丰光亮，何本国，陶洪辉，朱纯，王伟，高要辉，黄小华，张强，罗浩，王玉杰，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所中国水利水电科学研究院河海大学，
类型：发明
国别省市：