[发明专利]一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统及方法

权利要求书

1.一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，其特征在于，包括测振仪，所述测振仪包括用于安装在竖井井壁的筒形锚栓，锚栓内套设有与其同心的筒形碰撞传感器，锚栓顶端固定有纠偏调节仪，碰撞传感器的顶端固定在纠偏调节仪下端面，所述纠偏调节仪下端面固定有与碰撞传感器的轴心线重合的摆线，摆线末端固定有摆球，所述碰撞传感器通过数据传输光纤连接到用于根据摆球摆动程度采集和计算得到动荷载系数的计算机。

2.根据权利要求1所述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，其特征在于：所述锚栓由抗氧化性树脂制成。

3.一种评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法，使用如权利要求1或2所述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的系统，包括以下步骤：

步骤一、将测震仪的锚栓轴向固定于竖井底部的井壁，数据传输光纤紧贴竖井井壁延伸至竖井外与计算机连接，并在位于竖井内的数据传输光纤上等间隔安装有若干DAS测震光纤传感器，并在计算机中安装有Multiphysics COMSOL软件；

步骤二、当竖井所在的地面发生震动时产生的应力波传递产生的动荷载影响，引起摆线牵引的摆球发生摆动，触发摆球碰撞到碰撞传感器，计算机计算得到动荷载系数，具体计算过程为：碰撞传感器获得的应力值F，依据牛顿第二运动定律公式F＝m·a，计算得到摆球的加速度，根据《地下结构抗震设计标准》中关于地下洞库设计地震加速度峰值0.2g的标准确定动荷载传导系数的最大值；

步骤三、通过DAS测震光纤传感器获取地震、工程开挖和地表施工时间区段内的微震事件参数，包括剪切波波速v、剪切波质点峰值速度速ppv和加速度ppa，然后将数据代入计算公式Δσ_max＝±4·v·ppv，依据此计算得到三维有限元模型的动荷载边界；

步骤四、将地下洞库的三维几何模型导入计算机中的Multiphysics COMSOL软件，使用固体力学模块将动荷载分多次求解损伤，使用偏微分程序求解洞库围岩损伤区与损伤裂纹。

4.根据权利要求3所述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法，其特征在于：所述位于竖井内的数据传输光纤上的DAS测震光纤传感器之间的间距为0.5m。

5.根据权利要求3所述的评价动荷载作用下地下洞库围岩损伤的方法，其特征在于：所述步骤四具体包括：在Multiphysics COMSOL软件平台中设置6个全局变量f_t0、f_c0、E₀、μ、和n；然后，依据最大拉应力准则F₁＝-σ₃-σ_t0和摩尔-库仑准则将应力状态函数F₁与F₂引入损伤变量中，界定损伤变量D与F₁、F₂状态函数关系如下式：

其次，定义局部变量：

straint0＝ft0/E0和strainc0＝fc0/E0，

最大与最小主应变分别为：

pstr1＝max(max(-solid.sp1,-solid.sp2),-solid.sp3),pstr3＝min(min(-solid.sp1,-solid.sp2),-solid.sp3)，

应力状态函数F₁和F₂分别为：

F1＝-pstr3-ft0和F2＝pstr1-pstr3*(1+sin(phi))/(1-sin(phi))-fc0

因此定义损伤变量：

D1＝0*(F1<0)*(F2<0)+(1-(abs(straint0/strain3))^2)*(F1>＝0)+(1-abs(strainc0/strain1))^2*(F1<0)*(F2>＝0)，

在Multiphysics COMSOL软件中采用固体力学模块第2次损伤求解，线弹性材料的弹性模量初始值E1＝E0*(1-D1)+E0/1e10，不同损伤阶段的变量和弹性模量依次类推，最终进行稳态分步骤求解，即直观定量地显示出不同动荷载对地下洞库的损伤破坏程度。