[发明专利]一种岩石变形破坏模式预测方法

权利要求书

1.一种岩石变形破坏模式预测方法,其特征在于，包括以下步骤：

S1：将三轴应力作用下的岩石爆破抽象为一个含球形空腔的无限弹性介质模型的动静加载过程；

S2：测量地下原岩应力场，获得地应力场的三个主应力分量σ_x0，σ_y0，σ_z0；

S3：测定爆破对象岩石的密度ρ、泊松比μ以及弹性模量E；

S4：根据岩石的三轴试验结果，获得岩石在不同围压下的屈服应力；

S5：计算对应的应力张量第一不变量I₁以及应力偏张量第二不变量J₂，以-I₁值为横坐标，对应的为纵坐标，在平面直角坐标系中标记不同围压下的屈服应力状态对以上散点数据进行拟合，结合岩石单轴拉伸试验或巴西圆盘试验测定的抗拉强度σ_t，获得岩石的完整屈服面；

S6：根据地应力场的三个主应力分量σ_x0，σ_y0，σ_z0，首先计算在σ_z0作用下的静态应力场，根据球坐标系内弹性介质中的点的应力状态计算方法，计算出

S7：在σ_y0，σ_x0分别作用下的静态应力场，根据球坐标系内弹性介质中的点的应力状态计算方法，计算在σ_y0，σ_x0分别作用下含球形空腔的弹性介质中的应力状态

S8：将分别由σ_x0，σ_y0，σ_z0产生的应力场叠加起来，得到在远场三轴地应力作用下的静态应力分布

S9：对于在球腔壁上的爆炸荷载作用下的岩石动态响应，根据胡克定律，写出各应力分量与径向位移之间的关系式：

S10：根据达朗贝尔原理，写出球面波传播的控制方程、边界条件以及初始条件：

式中，φ(r,t)是位移势函数，t是弹性波传播的时间，c₁是纵波波速，P(t)是爆炸压力函数，其表达式为P(t)＝P_VN(eγ/n)ⁿtⁿe^-γt，其中，P_VN是爆炸峰值压力，一般n＝3，γ＝0.7，求解以上控制方程可得：

式中，

λ₁＝-C₄

S11：根据位移势力函数的表达式，写出径向位移的表达式为：

S12：根据径向位移表达式及关于r的偏导代入到各应力分量与径向位移之间的关系式中，可求得在爆炸荷载作用下介质的瞬时应力状态

S13：将静态应力状态与动态应力响应叠加，可得到在真三轴地应力作用下的岩石爆炸动力响应

S14：将σ_ij投影至应力不变量空间(-I₁vs.J₂)中，绘制点P的应力轨迹，根据应力轨迹与屈服面的相互关系，分析岩石的爆炸响应。

2.根据权利要求1所述的岩石变形破坏模式预测方法,其特征在于，所述S1包括以下子步骤：

S1-1：将远场地应力作用于弹性介质的三个正交方向上；

S1-2：将爆炸压力作用于球形空腔内表面；

S1-3：计算在远场地应力作用下介质中的静态应力分布；

S1-4：计算在爆炸荷载作用下的介质动态响应；

S1-5：将静态应力和动态响应叠加起来。

3.根据权利要求1所述的岩石变形破坏模式预测方法,其特征在于，所述S3的球坐标系内弹性介质中的点的应力状态计算方法为

式中，R＝r/a，α＝2(1-μ)，A＝-σ_z0(2+5α)/[2(4+5α)]，B＝σ_z0/(4+5α)，C＝5σ_z0/(4+5α)，a为球腔半径，r是球腔中心到任一点的距离。

4.根据权利要求1所述的岩石变形破坏模式预测方法,其特征在于，所述S14包括以下子步骤：

S14-1：判断应力轨迹与岩石屈服面的关系；若不相交，则进入步骤S14-2；若相交于拉破坏段，则进入步骤S14-3；若相交于剪胀段，则进入步骤S14-4；若相交于剪缩段，则进入步骤S14-5；

S14-2：代表岩石未屈服，处于弹性振动状态；

S14-3：代表岩石发生拉破坏，为产生平行于最大主应力方向的拉裂隙；

S14-4：代表岩石发生脆性剪切破坏，为岩石产生剪胀、扩容，常伴随岩石渗透性的增强和刚度、强度的降低；

S14-5：代表岩石发生韧性屈服，为岩石在爆炸荷载作用下发生孔隙压缩，岩石内部产生大量微观裂隙，消耗大量能量，岩石的渗透性可能降低，其刚度、强度可能提高。