应用于软岩洞室预警系统的围岩蠕变破坏预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用于软岩洞预警系统的围岩蠕变破坏预警方法。本技术主要是 通过基于内能理论建立软岩蠕变本构方程，计算预测软岩加速蠕变值的大小、发生时刻及 其蠕变的全过程，为隧洞安全维护提供指导，并结合实际情况提出简化方程，很容易被从事 地下工程领域的广大设计人员和工程技术人员理解、掌握，并加以灵活应用。本技术的提 出，可以为目前软岩洞室开挖、煤炭开挖巷道、采空区及其运营期间围岩发生蠕变破坏及加 速蠕变破坏的时刻提供较准确的计算预测，弥补了规范的空白。属于地下工程施工及后期 运营对工程本身的安全影响及保护研宄领域。
【背景技术】
[0002] 岩石的蠕变特性是岩石重要力学特性之一，很多的岩石工程都与岩石的蠕变有密 切关系。尤其是深埋于地下的洞室、巷道和采空区，失稳和破坏不是在开挖完成或工程完工 后立即发生，成洞之初呈现稳定的岩体，随时间推移变形不断发展，经过一些时日以后，洞 体可能失稳或坍塌破坏，围岩具有随时间的增长而缓慢变形的明显特征，深埋软岩的蠕变 特征尤其明显，后期蠕变量可能远远超过瞬时变形量。软岩的蠕变给我国深部地下空间的 利用和开发带来新的挑战，成为地下工程结构设计、施工控制的主要难点之一；而且地下工 程、隧道工程中复杂的渗流环境、长期荷载的周期性（重复性）更增加了蠕变研宄的复杂 性。目前规范中还未考虑蠕变这一因素，使得设计采用的预留变形量往往与实际情况不符， 更没有针对加速蠕变破坏时刻的发生进行预测，很难制定既经济又安全的维护方案。因此， 针对隧洞开挖过程及后期维护，蠕变破坏的研宄尤为重要。
[0003] 通过建立合理的本构模型来描述、预测蠕变的过程是目前最常用最有效的方法， 西原模型是目前使用最广的蠕变本构模型，但其无法模拟加速蠕变的破坏阶段，近几年很 多学者开始提出了修正的西原模型增加加速蠕变阶段的模拟。可是对于蠕变加速阶段如何 判别和模拟研宄还存在争议，目前大部分得到的都是经验性公式，无法反映软岩本质特性， 理论研宄不够，有的甚至需要很多实验才能获得其本构公式，很难推广使用。因此，在实际 地下工程中，很难预测软岩发生加速蠕变破坏的时刻。
[0004] 本技术在软岩蠕变机理理论研宄的基础上提出了一种简单的、操作性强的蠕变本 构模型，能够快速准确预测软岩隧道加速蠕变值的大小、发生时间。首先，基于内能理论建 立岩石蠕变本构关系方程，并通过室内三轴蠕变实验测出岩石的任意某一应力状态下的三 轴蠕变破坏全过程曲线；其次，采用最小二乘法，结合本构方程对曲线进行拟合获得本构模 型基本参数，程序自动选择D-P系列屈服准则和流动法则建立三维本构模型；然后，利用 ABAQUS软件编制的二次开发UMT子程序模拟在不同应力状态下的蠕变破坏曲线；最后，结 合实际围岩的应力状态采用蠕变本构方程计算方法预测软岩加速蠕变值的大小和时间，指 导施工设计、安全维护控制。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明的目的在于提供一种应用于软岩洞预警系统的围岩蠕变破坏预 警方法。
[0006] 技术方案：本发明所述的应用于软岩洞预警系统的围岩蠕变破坏预警方法，包括 以下步骤：
[0007] 1)所述软岩洞预警系统通过传感器读取软岩洞围岩内监测点的应力〇和应变 ε ;
[0008] 2)读取预先存储的所述软岩洞预警系统所在的软岩洞的岩石试样的三轴压缩实 验及三轴蠕变实验数据，从而获得所述软岩的物理力学参数：粘结力c、内摩擦角及泊松 比μ以及在高于长期强度的任一应力状态下的三轴蠕变全过程应力-应变曲线数据；
[0009] 3)结合实验获得的应力状态下的三轴蠕变全过程实验曲线以及步骤2)实验获得 的物理力学参数，采用最小二乘法，建立实验应变值与本构方程（4)，（5)，（6)计算应变值 的应变误差目标函数，采用单纯形法最优化方法编制的程序求目标函数的最小值，从而确 定本构方程（4)，（5)，（6)中的未知参数Ep Ep η ρ η 2、η 3，获得该岩石的蠕变本构方程。
【主权项】
1. 一种应用于软岩洞室预警系统的围岩蠕变破坏预警方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 所述软岩洞预警系统通过传感器读取软岩洞围岩内监测点的应力σ和应变ε ; 2) 读取预先存储的所述软岩洞预警系统所在的软岩洞的岩石试样的三轴压缩实验及 三轴蠕变实验数据，从而获得所述软岩的物理力学参数：粘结力c、内摩擦角P及泊松比μ 以及在任一应力高于长期强度的状态下（σ > 〇s_lmg)的三轴蠕变全过程应力-应变曲线 数据； 3) 结合实验获得的应力状态下的三轴蠕变全过程实验曲线以及步骤2)实验获得的物 理力学参数，采用最小二乘法，建立实验应变值与本构方程（4)，（5)，（6)计算应变值的应 变误差目标函数，采用单纯形法最优化方法编制的程序求目标函数的最小值，从而确定本 构方程（4)，（5)，（6)中的未知参数Ep Ep n P η 2、η 3，获得该岩石的蠕变本构方程。
(6) 其中，Ep Ep n i、η2、η3为蠕变本构方程参数，分别为：弹性模量（GPa)、粘弹性模量 (GPa)、弹性粘性系数（GPa *h)、粘塑性粘性系数（GPa 4)-1、加速蠕变粘性修正系数；这些 未知参数可通过某一加速蠕变实验曲线采用最小二乘法拟合获得；σ为主应力；ε为总应 变；〇 s_lmg为长期强度（通过陈氏分级加载三轴蠕变实验获得）；〇s_lmg条件下理想 的加速蠕变起始时刻对应的应变值；f为过屈服应力比；t为蠕变总时间，τ ^为加速蠕 uO 变实验曲线上对应的加速蠕变发生起始时刻；带上划线的表示三维情况下采用对应的屈 服强度计算值，F表示屈服函数；为非零等速蠕变临界应变能密度值，通过加速蠕变实 验过程曲线计算获得；为加速蠕变临界应变能密度值，通过加速蠕变实验过程曲线计 算获得;W为应变能密度值；
%蠕变应变流动方向； I - // -π Π
Π Π 4)采用现场实测应变-应力曲线对获得的本构方程中的参数（匕、Ep τι ρ τι 2、Il3)进 行修正。结合现场的实测曲线以及步骤2)实验获得的物理力学参数，采用最小二乘法，建 立实验应变值与本构方程（4)，（5)，（6)计算应变值的应变误差目标函数，采用单纯形法最 优化方法编制的程序求目标函数的最小值，从而确定本构方程（4)，（5)，（6)中的未知参数 EpEp η ρ η 2、η 3，获得实际岩体的蠕变本构方程，从而预测不同设计、施工方案下加速蠕 变发生时刻Tp，如果预测的加速蠕变破坏发生时刻不满足设计要求，g卩τ ρ> τ M Ttl为预 设的允许的加速蠕变发生时刻控制值，通常以工程设计使用年限为控制值，则发出警示信 号，否则返回步骤1)。
【专利摘要】本发明公开一种应用于软岩洞室预警系统的围岩蠕变破坏预警方法，其特征在于，包括以下步骤：1)通过传感器读取软岩洞室围岩的应力σ和应变ε值(见下示意图1)；2)读取预先存储的所述软岩洞预警系统所在的软岩洞的岩石试样的三轴压缩实验及三轴蠕变实验数据，从而获得所述软岩的物理力学参数：粘结力c、内摩擦角及泊松比μ以及在高于长期强度的任一应力状态下的三轴蠕变全过程应力-应变曲线数据；3)结合实验获得的应力状态下的三轴蠕变全过程实验曲线以及步骤2)实验获得的物理力学参数等步骤。
【IPC分类】G01N3-28
【公开号】CN104833593
【申请号】CN201510036984
【发明人】沈才华, 王文武, 张兵
【申请人】河海大学
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年1月23日