本发明涉及围岩损伤预测领域，尤其是一种基于能量释放系数的围岩损伤预测方法。
背景技术：
21世纪随着人类经济建设和对资源需求量的日益增大，工程建设与开发空间已逐渐走向地球深部，地下空间开发活动越来越多，埋深大、地应力高已成为地下岩体工程典型的地质特征之一，并对洞室围岩的安全稳定有着重要的影响。在大埋深、高地应力的环境下，岩体往往储存有较高的应变能。在深埋岩体爆破开挖的过程中伴随着新自由面的形成，被开挖岩体对保留岩体的应力约束瞬态消失，即开挖面上的地应力瞬态卸荷，同时存储在岩体中的应变能快速释放，诱发围岩产生损伤，并严重威胁洞室稳定和施工安全。因此，对开挖卸荷诱导的围岩能量释放过程进行分析，准确描述和预测在围岩能量释放过程中围岩的损伤情况，对于确保地下工程进行时围岩的安全与稳定有着重要意义。
在深埋地下洞室岩体开挖的过程中，围岩能量的释放是洞室发生灾变破坏的重要诱因，在围岩能量释放的过程中，岩体赋存的环境发生变化、物理力学性质发生劣化，并最终导致围岩开挖损伤区的形成。因此，分析开挖卸荷诱导的围岩能量释放过程是准确预测围岩损伤的前提。
目前，对深埋岩体开挖引起的损伤和破坏的预测与描述主要采用的是静力学方法，利用Mohr-Coulomb强度准则进行预测与计算围岩的损伤区范围。为求得洞室围岩损伤区的范围，在进行计算时，做一定接近实际的假设，假定洞室开挖断面为圆形断面，从圆形洞室向外依次为破碎区、塑性区、弹性区、原岩应力区，所处原应力场为静水应力场，周边所受为均匀等向压力；围岩弹性区中的应力分布与弹性体中受力圆孔周边应力分布相同，塑性区岩体破坏满足Mohr-Coulomb强度准则；破碎区中岩体内的应力小于原岩应力。基于以上假设条件，在塑性区内取微小单元体，有静力平衡条件：
Mohr-Coulomb屈服条件：
在弹性区与塑性区交界面上有边界条件：
σre+σte＝σrp+σtp (8)
上述式子中，σrp为塑性区径向应力；σtp为塑性区切向应力；r为径向半径；σre为弹性区径向应力；σte为弹性区切向应力；c为粘聚力；为内摩擦角。
根据以上的分析，基于Mohr-Coulomb强度准则，采用静力学方法，可以计算得到开挖洞室围岩的损伤半径和围岩损伤区的分布图，从而了解围岩的损伤情况。但Mohr-Coulomb强度准则未能考虑中间主应力的影响，同时该方法很难反映损伤区的力学特性，因此以上方法在预测围岩损伤区的深度和范围时存在一定的局限性和不足。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于能量释放系数的围岩损伤预测方法，可以解决采用静力学方法，基于Mohr-Coulomb本构模型用以预测洞室开挖卸荷诱导围岩损伤方法的缺陷，提高了开挖卸荷诱导围岩损伤预测的精度，可广泛用于水电、交通等深埋地下隧洞围岩的损伤检测。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于能量释放系数的围岩损伤预测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据工程实际，在隧洞洞室的横断面上布置多个声波检测孔；
步骤2：基于有限差分法进行数值模拟仿真，创建步骤1的包括多个声波检测孔的隧洞洞室的几何模型，并进行网格划分，将模型划分为若干围岩单元；
步骤3：设置边界条件和监控变量，进行数值模拟计算，分别追踪和记录步骤2建立的模型中各个声波检测孔处距离开挖边界不同距离处的各围岩单元的力学状态变化，通过计算可得到各个声波检测孔处距离开挖边界不同距离处的应变能密度变化过程，继而绘出距离开挖边界不同距离处围岩的应变能密度释放过程曲线；
步骤3：定义能量释放系数LERCi，计算得到步骤3中的各个声波检测孔处距离开挖边界不同距离处的各围岩单元的能量释放系数LERCi，公式为：
式中，Uimax表示第i个围岩单元能量动态变化过程中的最大值；Uis表示第i个围岩单元发生脆性破坏后，其能量最终的稳定值；
步骤4：在实际工程现场对围岩发射声波，对步骤1布置的多个声波检测孔进行声波波速试验，利用各个声波检测孔进行开挖后岩体声波测试，根据岩体声波波速带的变化情况判定围岩损伤深度和范围，同时根据开挖前后岩体波速的变化情况，得到各个声波检测孔位置的实测波速降η；
步骤5：对实际现场隧洞开挖断面的多个声波检测孔的实测波速降η、数值模拟所得到的能量释放系数LERC进行统计分析，采用最小二乘法，建立建立实测波速降η与围岩能量释放系数LERC之间的关系，得到关系式如下：
η＝0.45LERC+0.17(R＝0.79) (2)
再根据据损伤系数D与波速降η之间的关系：
D＝1-(1-η)2 (3)
将式(2)代入式(3)中，得到损伤系数D与能量释放系数LERC之间的关系
D＝1-(0.83-0.45LERC)2(R＝0.79) (4)；
根据式(4)，计算得到该处围岩的损伤系数D；
步骤6：将步骤6得到的该处围岩的损伤系数D与其对应的岩体损伤变量阈值进行比较，即可判断该处围岩是否发生损伤破坏。
步骤1中，在隧洞洞室的横断面上布置五个声波检测孔，分别位于隧洞横断面拱顶、两侧拱肩和两侧洞腰处，孔深10m，孔径0.07m。
步骤2中，定义材料模型为Hoke-Brown本构模型，根据深埋地下洞室爆破开挖场地环境和设计参数以及围岩的力学特性参数设置模型中的围岩物理力学参数；
基于Hoek-Brown强度准则，其本构模型的屈服方程为：
式中：σ1、σ3分别为岩体屈服时的最大和最小主应力；σci为岩块试件的单轴抗压强度；mb、s和a为与岩体质量评分和岩块材质参数相关的参数。
步骤3中，分别追踪和记录步骤2建立的模型中各个声波检测孔处距离开挖边界0.5m，1.0m，1.5m，2.0m的各围岩单元的力学状态变化。
步骤6的判断方法为：
若D＞Dcr，则岩体发生损伤破坏；
若D＜Dcr，则岩体未发生损伤破坏。
本发明提供的一种基于能量释放系数的围岩损伤预测方法,引入能量释放系数LERC作为能量释放的描述指标；利用有限差分法建立分析模型，模拟洞室开挖诱导的能量释放过程和计算能量释放系数的大小；结合实测波速降η，采用最小二乘法建立能量释放系数LERC与实测波速降η之间的关系；再根据损伤系数D与波速降η之间的关系，则进一步可以确定损伤系数与局部能量释放系数之间的数学关系,最后通过计算所得的该处围岩的损伤系数D与其对应的岩体损伤变量阈值进行比较，即可判断该处围岩是否发生损伤破坏，可以客观的体现出开挖过程中围岩损伤与围岩能量释放之间的关系，以及可以比较准确的预测围岩的损伤范围；适用范围更广，提高了对围岩损伤深度和范围进行预测的精度，可广泛用于水电、交通等深埋地下工程围岩损伤及围岩稳定性的分析。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明实施例一步骤2所建立的模型中五个记录孔位置的示意图；
图2为本发明实施例一步骤3中，绘出的4#记录孔位置距离开挖面0.5m处围岩单元的应变能密度释放过程曲线；
图3为本发明实施例一步骤3中，绘出的4#记录孔位置距离开挖面1.0m处围岩单元的应变能密度释放过程曲线；
图4为本发明实施例一步骤3中，绘出的4#记录孔位置距离开挖面1.5m处围岩单元的应变能密度释放过程曲线；
图5为本发明实施例一步骤3中，绘出的4#记录孔位置距离开挖面2.0m处围岩单元的应变能密度释放过程曲线；
图6为本发明实施例一步骤4中，4#孔实测围岩声波孔波速变化曲线；
图7为本发明实施例一步骤4中得到4#记录孔位置的能量释放率与实测波速降η的关系曲线图；
图8为本发明实施例一步骤5中根据五个声波检测孔与能量释放系数的关系得到的实测波速降η与围岩能量释放系数LERC之间的关系曲线；
图9为本发明实施例二三种方法预测的结果对比图。
具体实施方式
某深埋隧洞所处由于埋深大导致地应力水平高，其中最大主应力高达72MPa，方向与隧洞轴线平行；最小主应力高达32MPa，方向竖直向下。
实施例一
一种基于能量释放系数的围岩损伤预测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：根据工程实际，在隧洞洞室的横断面上布置五个声波检测孔，记为1#记录孔、2#记录孔、3#记录孔、4#记录孔和5#记录孔；
步骤2：基于有限差分法进行数值模拟仿真，创建步骤1的包括五个声波检测孔(1#记录孔、2#记录孔、3#记录孔、4#记录孔和5#记录孔)的隧洞洞室的几何模型，并进行网格划分，将模型划分为若干围岩单元，如图1所示；
步骤3：设置边界条件和监控变量，进行数值模拟计算，分别追踪和记录步骤2建立的模型中各个声波检测孔(1#记录孔、2#记录孔、3#记录孔、4#记录孔和5#记录孔)处距离开挖边界不同距离处的各围岩单元的力学状态变化，通过计算可得到各个声波检测孔(1#记录孔、2#记录孔、3#记录孔、4#记录孔和5#记录孔)处距离开挖边界0.5m，1.0m，1.5m，2.0m处的应变能密度变化过程，继而绘出距离开挖边界不同距离处围岩的应变能密度释放过程曲线；
图2-图5为按照上述步骤绘出的4#记录孔位置距离开挖面0.5m，1.0m，1.5m，2.0m处围岩单元的应变能密度释放过程曲线；
按照上述步骤，可在分别绘出1#记录孔、2#记录孔、3#记录孔和5#记录孔位置距离开挖面0.5m，1.0m，1.5m，2.0m处围岩单元的应变能密度释放过程曲线。
步骤3：定义能量释放系数LERCi，计算得到步骤3中的各个声波检测孔处距离开挖边界不同距离处的各围岩单元的能量释放系数LERCi，公式为：
式中，Uimax表示第i个围岩单元能量动态变化过程中的最大值；Uis表示第i个围岩单元发生脆性破坏后，其能量最终的稳定值；
例如对于4#记录孔，在距离开挖面处0.5m，1.0m，1.5m，2.0m处计算得到的LERCi分别为0.98、0.84、0.35、0，可分别计算出1#记录孔、2#记录孔、3#记录孔和5#记录孔位置距离开挖面0.5m，1.0m，1.5m，2.0m处LERCi值。
步骤4：在实际工程现场对围岩发射声波，对步骤1布置的五个声波检测孔(1#记录孔、2#记录孔、3#记录孔、4#记录孔和5#记录孔)进行声波波速试验，利用各个声波检测孔进行开挖后岩体声波测试，根据岩体声波波速带的变化情况判定围岩损伤深度和范围，由于围岩有裂隙，声波传输时会有能量的损失和波速的降低，当声波的波速降η大于10％(其对应的岩体损伤变量阈值为Dcr＝0.19)时，即认为岩体受损，当波速趋近某一稳定水平时，则认为裂隙不再出现，脱离围岩损伤区,如图6所示，实测波速在孔深2.0m时趋于稳定，则围岩损伤深度为2.0m。同时根据开挖前后岩体波速的变化情况，得到各个声波检测孔位置的实测波速降η；
步骤5：对实际现场隧洞开挖断面的多个声波检测孔的实测波速降η、数值模拟所得到的能量释放系数LERC进行统计分析，采用最小二乘法，建立建立实测波速降η与围岩能量释放系数LERC之间的关系，得到关系式如下：
η＝0.45LERC+0.17(R＝0.79) (2)
例如图7为步骤4中得到4#记录孔位置的能量释放率与实测波速降η的关系曲线图；图8为骤5中根据五个声波检测孔与能量释放系数的关系得到的实测波速降η与围岩能量释放系数LERC之间的关系曲线；
再根据据损伤系数D与波速降η之间的关系：
D＝1-(1-η)2 (3)
将式(2)代入式(3)中，得到损伤系数D与能量释放系数LERC之间的关系
D＝1-(0.83-0.45LERC)2(R＝0.79) (4)；
根据式(4)，计算得到该处围岩的损伤系数D；
例如对于4#记录孔，通过上述公式可以计算出在距离开挖面处0.5m，1.0m，1.5m，2.0m处对应的损伤系数D为0.83、0.78、0.54、0.17；
步骤6：将步骤5得到的该处围岩的损伤系数D与其对应的岩体损伤变量阈值进行比较，即可判断该处围岩是否发生损伤破坏，可得在4#孔位置的围岩损伤深度约为2.0m，与通过声波波速试验得到的实测结果符合良好；
步骤6的判断方法为：
若D＞Dcr，则岩体发生损伤破坏；
若D＜Dcr，则岩体未发生损伤破坏。
实施例二
将岩石受损情况实测结果、本发明方法(新方法)以及采用静力学方法基于Mohr-Coulomb强度准则的方法(原方法)进行预测的结果进行对比，对比情况如图9所示，可以看出本发明方法(新方法)与实测损伤范围大致一致，精确度高于采用静力学方法基于Mohr-Coulomb强度准则(原方法)进行预测的结果。