一种基于细观裂纹增长率确定岩体损伤门槛的方法与流程

技术领域

本发明涉及⽔利⽔电、核电和岩⼟⼯程领域，尤其涉及一种基于细观裂纹增长率确定岩体损伤门槛的方法。

背景技术：

当前，我国正在或即将兴建一批大型水利水电和核电工程，如向家坝、白鹤滩水电站和陆丰、太平岭核电站工程。在进行大坝、隧道或厂房的岩体爆破开挖时，保留基岩和隧道围岩在爆炸冲击作用下不可避免地产生损伤，形成爆破损伤区。当损伤区范围过大、超过允许值时将直接影响工程安全。因此，实践中必须根据爆炸参数和岩体特性等条件，准确预测爆破产生的损伤范围。而确定合理的损伤门槛，或判定损伤的临界值，是评价岩体的损伤程度、确定损伤范围的前提。

目前，岩体损伤门槛的确定主要通过宏观变形特征、裂缝观测和经验确定方法。具体地说，可以分为以下几类：1) 根据岩体细观裂纹扩展与宏观变形参数之间的关系确定。由于裂纹密度、尺寸、断裂韧度等细观参数不易获得，无法直接测量，只能通过数值计算得到的岩体损伤范围与现场爆破漏斗尺寸进行比较的方法确定损伤门槛值。由此方法得到的门槛值范围较大，在0.2~0.5之间，也有部分学者认为可以达到0.693，这种方法有一定的理论基础，但不同的理论模型所得的结果差别很大，并且细观参数无法直接测量，实际工程应用中存在一定制约。2) 以声波特性参数比如声波波速作为岩体损伤门槛。我国《水工建筑物岩石基础开挖工程技术规范》(DLT_5389-2007)规定，当爆后波速与爆前波速的变化率超过10%时，认为爆破对基础岩体产生了不利影响；当波速变化率超过15%时，产生了较大影响，岩体开挖质量差。该标准在工程界得到了广泛应用。但该判据仅是根据有限的观察结果提出的经验数据，并且有学者认为该判据并非代表工程可以接受的临界值，还有提高的余度，甚至可以达到40%。3) 临界应力或临界应变判定方法。比如，当岩体中应力达到抗压强度的0.3~0.5倍时，裂纹开始扩展，因此有学者将该值作为判断岩体损伤的门槛。该方法目前也没有公认和成熟的研究成果。4) 以岩体临界质点振动速度作为损伤的门槛。这种方法更是由于岩石种类、工程类别和岩体结构的区别而导致确定的临界振动速度差别巨大。比如，白水峪水电站坝区爆破时，学者认为岩体临界质点振动速度为3.5 cm/s以下时才可以保证残留岩体的稳定性。而在煤岩巷道爆破开挖时，最大允许振动速度可以达到30 cm/s。

由此可见，当前评估岩体损伤程度所采用的门槛值，测试方法多样、工作量大，标准不统一，结果离散，不利于不同工程、岩体结构和类型之间的对比、参考和分析，不能作为类似工程的指导并制定统一的标准。

岩体损伤是岩体内部细观裂纹在外荷载作用下产生、扩展、汇合形成宏观断裂导致岩体丧失承载能力的过程。因此，从细观裂纹扩展规律出发，提出合理的、有理论基础支持的岩体损伤门槛确定方法，才能实现损伤门槛的统一和协调。当前，研究和观测岩体细观裂纹形态的方法主要包括光学显微镜、电镜扫描、CT扫描等，这些方法可以直接观测岩体中裂纹的数目、形状、大小和分布特征。但是，这些方法得到的都是岩体在某一特定状态下的静态裂纹分布特征，并且只是对应于岩石切片或取样的局部区域的裂纹分布情况，不能反应整体的、全过程的裂纹产生、扩展的动态过程，无法判断该过程中的临界状态，因此不能用以确定岩体损伤门槛值。检测岩体动态裂纹扩展可以采用声发射方法，具有灵敏度高、能长期连续监测的优点，但也存在局限性：岩体必须承载产生新生裂纹才能检测，对于原有裂纹无法探测；受电噪声、机械噪声等周围环境影响很大；定位精度较低；能够测量的裂纹信息有限；最重要的是对测量结果的解释困难，很难从声发射特性中定位临界点进而确定损伤门槛。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的确定岩体损伤门槛或临界值方法的缺陷，提供一种基于细观裂纹增长率确定岩体损伤门槛的方法。

本发明提供的一种基于细观裂纹增长率确定岩体损伤门槛的方法，包括以下步骤：

步骤一、加工岩石试样，进行密度、孔隙率测量，然后进行常规单轴压缩实验，获得全过程应力应变曲线，确定试样的抗压强度、泊松比、弹性模量参数，同时，切割岩石薄片，进行岩矿鉴定和薄片分析，获得岩石矿物成分、细观颗粒分布、尺寸和胶结特征信息；

步骤二、采用有限元、离散元等计算机模拟技术，根据细观颗粒尺寸和分布特征建立岩石试样的数值计算模型，模拟单轴压缩实验过程；分别调整颗粒的细观结构、粘结强度、变形模量等细观参数，并重复这一调整过程，直到数值试件的抗压强度、泊松比、弹性模量与步骤一得到的实验结果一致；

步骤三、统计压缩过程中岩石颗粒间的粘结断裂或失效情况，考察细观裂纹总数随应变的变化规律，引入细观裂纹增长率这一参数；

步骤四、通过细观裂纹增长率峰值点对应的岩体损伤定义损伤门槛值。

上述技术方案中，所述步骤三中细观裂纹增长率这一参数，系指单位应变所产生的新增细观裂纹增长数，经归一化处理后定义为细观裂纹增长率(CNIR)，作为衡量岩石变形过程中裂纹增长速率的指标。

上述技术方案中，所述步骤四中岩体损伤门槛的定义为D_cri=1-E_cri/E₀，E_cri为细观裂纹增长率峰值处对应的岩体损伤条件下的岩石杨氏模量；E₀为原始状态的岩石杨氏模量。

本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果和优点：本发明从揭示细观裂纹的变化规律，引入细观裂纹增长率，提出了一种新的确定岩体损伤门槛值的方法，本发明的方法工作量小、能够得到一个具体的、有细观力学基础的损伤门槛值，而非一个抽象的范围，有利于不同工程、岩体结构个类型之间的对比、参考和分析。通过本发明的分析方法可以得到规范化的岩体损伤门槛，为其在水利水电、核电和岩土工程中的推广运用奠定完善的研究基础和依据。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2单轴压缩实验的凝灰岩试样图。

图3为岩矿鉴定和薄片分析的岩样细观结构图。

图4为采用PFC^3D方法重建的岩样数值计算模型图。

图5为标定后的试件应力应变关系与实验结果的比较图。

图6为试件压缩过程中总裂纹数与新增裂纹数随轴向应变的变化规律图。

图7为岩样损伤和裂纹增长率的关系图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。本发明提出的一种基于细观裂纹增长率确定岩体损伤门槛值的方法，包括如下步骤：

(1) 选择一种凝灰岩，加工成Φ50×100 mm的岩石试样，如图2所示，测定其密度和孔隙率分别为2640 kg/m³和4%。进行常规单轴压缩实验，根据得到的应力应变曲线，确定试样的抗压强度、泊松比和杨氏模量分别为135 MPa、0.22和61.2 GPa；

进行岩矿鉴定，分析凝灰岩的主要组成成分和颗粒结构，如图3所示。鉴定报告如下：送检样由角砾及少许石英长石砂屑和硅质、铁质胶结物组成。角砾成分主要为流纹岩角砾，大小不等，粒度约2~35mm。中见长石斑晶，晶内有绢云母蚀变物及方解石颗粒。石英砂屑相对干净，呈0.1~0.6mm大小的次棱角状产出。长石砂屑主要呈次棱角状－它形粒状，粒度约0.12~1.2mm。胶结物主要有硅质和铁质。

(2) 建立岩石试样的颗粒流(PFC^3D)计算模型，如图4所示，颗粒半径范围0.1~2mm，共计19199个。颗粒之间采用平行粘结模型模拟岩石晶粒之间的胶结作用，共计95773个粘结。在试件上表面施加压力模拟单轴压缩实验过程，得到试件的应力应变曲线，并与实验结果进行对比。根据对比结果调整颗粒的接触刚度、摩擦系数、粘结强度、法向和切向刚度等细观参数，与实验结果比较，重复这一调整过程，直到数值试件的抗压强度、泊松比、弹性模量与实验结果一致，计算模型标定完毕得到的应力应变关系结果与实验结果对比如图5所示。

(3) 将颗粒间的粘结断裂或失效作为一个新的细观裂纹产生，统计细观裂纹总数随应变的变化规律，由此可以计算新增裂纹数量随应变的变化规律，如图6所示，引入单位应变所产生的新增裂纹数这一参量，经归一化处理后定义为细观裂纹增长率(CNIR)，作为衡量岩石变形过程中裂纹增长速率的指标。

(4) 根据D=1-E_D/E₀计算岩石试样在单轴压缩过程中的损伤值，绘制损伤-应变曲线，与第(2)步得到的试件轴向应力-应变曲线显示于统一坐标系中。同样地，根据第(3)步的方法，计算每一个应变所对应的CNIR值，绘制细观裂纹增长率-应变曲线，也展示于上述同一坐标系中，如图7所示。由此，即可根据CNIR曲线上的峰值点B，确定对应的损伤变量的值为0.38，即为当前的研究对象：一种凝灰岩的损伤门槛。

本发明揭示细观裂纹的变化规律，引入细观裂纹增长率，提出了一种新的确定岩体损伤门槛门槛值的方法。通过本发明的分析方法可以得到规范化岩体损伤门槛，为其在水利水电、核电和岩土工程中的推广运用奠定完善的研究基础和依据。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。