[发明专利]岩体应变能瞬态释放效应诱发损伤模拟装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种岩体应变能瞬态释放效应诱发损伤模拟装置及方法，适用于模拟水利水电工程、交通、矿山等技术领域深埋地下洞室开挖过程中初始高地应力下岩体瞬态卸载诱发的损伤。

背景技术

我国在建和即将兴建的一批大型、特大型水电工程都处在西南、西北地区的崇山峻岭中，均需在复杂地质和高地应力条件下进行岩石高边坡、大跨度地下洞室群或超长深埋隧洞的大规模、高强度岩石开挖。例如锦屏二级水电站4条引水隧洞最大埋深2525m，实测最大主应力约42MPa，预测隧洞轴线上的最大主应力达72MPa；地处雅鲁藏布江大拐弯的墨脱水电站，引水隧洞埋深达4000m，地应力超过100MPa；二滩、小湾、拉西瓦、瀑布沟和锦屏一级水电站等水电工程地下厂房及引水隧洞部位的最大地应力也达25～40MPa。同时，我国交通隧道建设、矿藏资源开采也进入到了1000～2000m的开挖深度。

国内外相关研究成果和工程实践已经揭示：高地应力条件下地下洞室钻爆开挖过程中，岩体开挖荷载的瞬态释放会产生强烈的动力效应。高地应力条件下的隧洞开挖改变了原始岩体的几何形状，使开挖面上的岩体应力全部或部分卸除，引起岩体边界条件和荷载条件的变化；伴随岩体开挖而发生的岩体赋存环境改变和变形又会导致岩体物理力学参数的劣化，从而可能带来严重的岩体稳定或变形控制难题。因此，近年来岩体的开挖卸荷及力学效应一直是国内外岩石力学研究与工程应用领域的热点问题。

国外对岩体开挖卸荷效应的系统研究始于20世纪70年代，以满足地下核废料储存库建设、深部矿山开采及深埋隧道开挖等方面的需要。经过近40年的深入研究，已经在开挖卸荷效应及开挖损伤(扰动)区形成机制、开挖松动区岩体的力学特性、开挖松动范围现场检测与诊断技术等方面取得丰富的研究成果。国外研究结果表明，岩体开挖松动区的主要形成原因是岩体初始应力场的开挖卸荷，并受岩体初始应力大小、地质条件、力学特性、开挖与加固方法、地下洞室形态及布置等多方面因素影响。

自20世纪90年初，国内开始重视岩体开挖卸荷效应方面的研究，其中一个重要的工程背景是三峡工程永久船闸岩石高边坡开挖卸荷变形控制的难题。目前，体现开挖卸荷行为与效应的卸荷岩体力学问题研究已逐步得到认同，并成为近年国内岩石力学与工程领域的研究热点。

需要指出的是，国内外学者在研究岩体开挖卸荷行为及力学效应过程中，一般将开挖卸荷过程作为准静态条件处理。这种近似在岩体初始应力(开挖荷载)较低的条件下是允许的，但在中、高地应力条件下，开挖卸荷的准静态处理可能会带来较大的误差。

事实上，国内外为数不多的相关研究成果已揭示了开展开挖卸荷释放的瞬态特性及动态效应研究的必要性。如M.G.Abuov等的研究结果表明，掌子面上岩体爆破开挖引起的岩体应力快速卸荷，有可能导致开挖面附近保留岩体的破坏；J.P.Carter和J.R.Booker针对长隧洞瞬间开挖理想条件下的围岩瞬态响应计算表明，岩体初始应力的瞬态卸荷可以在围岩中激发动拉应力场；王贤能等则发现，卸荷速率及动力扰动对岩爆的发生及规模有重要影响；卢文波等的初步研究也表明：中、高地应力状态下岩体爆破开挖引起的卸载波是导致岩体开挖松动的重要因素。岩体爆破开挖，意味着岩体开挖荷载的瞬态卸荷及岩体所积累弹性应变能的快速释放。因此，从弹性应变能的快速释放观点看，开挖动态卸荷、岩爆、采矿诱发的微地震等动力学现象具有相似性。

上述分析表明，开展岩体开挖荷载释放的瞬态特性及动力扰动效应研究，对加深岩体开挖卸荷机制和岩体开挖动态响应等岩石力学基础问题的认识具有重要意义。

目前针对应变能瞬态释放诱发损伤的研究方法主要有理论分析、数值模拟和实际工程实测资料验证。理论分析和数值模拟都存在复杂地质体的几何模型概化很难完全反应现实情况、边界条件和初始应力场的施加难以与实际情况高度契合、成熟商业软件内置的本构模型难以描述复杂地质体的材料特性、根据不同的计算理论得到的计算结果存在一定差异、收敛标准值得商榷等不足之处。工程实测资料验证也存在资料不够充分等缺点。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种简单实用、准确性高的岩体应变能瞬态释放效应诱发损伤模拟装置及方法、适用于模拟深埋地下洞室开挖过程中初始高地应力下岩体瞬态卸载诱发的损伤。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：