[发明专利]一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法

说明书

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法。该方法以满足实际工程需求并服务工程为目标，以能反映岩石破坏本质的格里菲斯强度理为基础，以推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹脆性解为核心，以可考虑多种岩爆影响因素且能准确预测岩爆位置、深度、等级为特色。该方法依次推导了非轴对称外荷载条件下隧道围岩脆性破坏的格里菲斯强度理论公式，非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性理论解析解，岩爆孕育过程中的围岩起裂状态理论解，岩爆发展过程中的围岩起爆状态理论解，最终建立多因素岩爆预测模型。

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法。

背景技术

隧道开挖后，围岩应力进行重分布。如果围岩应力处处小于岩体强度，则围岩仍然处于弹性状态；反之，当围岩某些区域的应力超过岩体强度，则围岩就会进入塑性或破坏状态。

岩爆是在坚硬完整或较完整的高地应力地区开挖隧道过程中发生的，其是岩石被挤压到弹性极限，岩体内积聚的能量突然释放所造成的岩石破坏现象，其实质是岩石脆性破坏。岩爆的突发性脆性破坏，造成岩片(块)脱离母体，猛然向临空方向抛弹射，经历快速“劈裂一剪折一弹射”的渐进破坏过程。

目前预测或评价岩爆等级的方法主要是应力强度比法，其采用单纯的应力强度比法，无法准确预测或者评价岩爆发生的位置和等级，例如：当侧压力大于1时，理论上拱顶环向应力最大，按照应力强度比理论，此时隧道拱顶应力强度比最大，拱顶更可能发生岩爆，且拱顶的岩爆等级相比于边墙更高。但在实际隧道工程中，在高地应力条件下，岩爆主要发生在隧道的边墙、拱腰等部位。比如，锦屏二级水电站引水隧洞，边墙、拱肩、拱顶、拱底的岩爆发生的次数分别为348、147、138、11次。实际岩爆发生现象和理论预测的发生位置明显不符。

发明内容

本发明为了解决应力强度比法无法准确预测评价岩爆发生的位置和等级的问题，提供一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法，其可考虑多种岩爆影响因素，对岩爆预测的位置和等级更加准确。

为解决现有技术问题，本发明采用技术方案为：一种基于解析方法的多因素岩爆预测方法，其特征在于，步骤为：

步骤1、推导非轴对称外荷载条件下隧道围岩脆性破坏的格里菲斯强度理论公式；

步骤2、推导非轴对称外荷载条件下圆形洞室的弹性理论解析解；

步骤3、推导岩爆孕育过程中的围岩起裂状态理论解析解；

步骤4、推导岩爆发展过程中的围岩起爆状态理论解析解；

步骤5、建立多因素岩爆预测模型。

进一步，步骤1的具体方法步骤为：

步骤1.1、根据格里菲斯强度理论的原理和内涵，分析脆性材料破裂的原因、破裂所需要的能量，以及破裂扩展的方向；

步骤1.2、根据格里菲斯强度理论主应力下的断裂判据，

格里菲斯强度判据为分段函数，在第一主应力σ₁、第三主应力σ₃的坐标系σ₁-σ₃下的格里菲斯强度判据，具体为：

当σ₁+3σ₃＜0时，σ₃＜-σ_t，

当σ₁+3σ₃＞0时，

步骤1.3、推导并提出非轴对称外荷载条件下，地下洞室围岩的格里菲斯起裂判据，

当(3σ_θ+σ_r)(σ_θ+3σ_r)＜4τ_rθ²时，