本發(fā)明涉及巖石力學(xué)與巖土工程，特別是指一種基于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)的層狀巖體拉伸強(qiáng)度預(yù)測方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、層狀巖體是一種由不同性質(zhì)的巖石或巖石層理交替排列形成的復(fù)合介質(zhì)。其破壞機(jī)理復(fù)雜，受到層理面方向、巖體的各向異性、層理間的結(jié)合強(qiáng)度等多種因素的影響。了解層狀巖體的破壞機(jī)理并進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測是巖體力學(xué)研究中的重要課題，尤其在采礦、隧道、邊坡等工程中至關(guān)重要。

2、層狀巖體破壞機(jī)理和強(qiáng)度預(yù)測的技術(shù)在工程應(yīng)用中具有重要價值，并且已成為巖體力學(xué)和工程領(lǐng)域中獲得發(fā)明保護(hù)的熱點(diǎn)。涉及的發(fā)明技術(shù)涵蓋了從實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)值模擬到工程應(yīng)用方法的多個層面，旨在提高層狀巖體的破壞行為預(yù)測精度以及其在工程中的應(yīng)用效果。

3、由于沉積巖在形成過程中礦物顆粒的擇優(yōu)取向，使得頁巖具有明顯的層理結(jié)構(gòu)特征，致使頁巖的抗拉強(qiáng)度受層理面的影響較大。目前，常用的測量巖石抗拉強(qiáng)度的方法有兩種，分別為直接拉伸法和間接拉伸法，由于直接拉伸法中很難控制拉應(yīng)力通過中心軸所以導(dǎo)致出現(xiàn)偏心情況。直接拉伸物理實(shí)驗(yàn)的操作過程和準(zhǔn)確度很難控制，但是由于巴西劈裂試驗(yàn)操作簡便能夠有效解決上述問題。因此，國內(nèi)外許多專家學(xué)者采用間接拉伸法即巴西圓盤劈裂試驗(yàn)來測量巖石材料的拉伸強(qiáng)度。

4、材料的率效應(yīng)研究主要以單軸試驗(yàn)為主，在半對數(shù)坐標(biāo)下，巖石動態(tài)強(qiáng)度具有明顯的率效應(yīng)，當(dāng)應(yīng)變率較小時，強(qiáng)度保持恒定，此時稱為準(zhǔn)靜態(tài)。當(dāng)應(yīng)變率超過一定范圍后，隨著應(yīng)變率的增加，材料的動態(tài)強(qiáng)度增大。然而，由于在極高應(yīng)變率下，試驗(yàn)的加載難度高，操作不穩(wěn)定，可靠數(shù)據(jù)較少，目前還很難確定或預(yù)測極限峰值強(qiáng)度。當(dāng)巖石試樣在外載荷作用下變形產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變達(dá)到一定值時，巖石會發(fā)生失穩(wěn)破壞，表征巖石破壞條件的關(guān)系方程稱為強(qiáng)度準(zhǔn)則，又稱為破壞判據(jù)。巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則建立的目的，主要是通過相關(guān)參數(shù)之間的關(guān)系方程反映巖石的破壞機(jī)理。通過國內(nèi)外文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對巖石的抗拉強(qiáng)度的研究多集中于實(shí)驗(yàn)方法和理論推導(dǎo)，關(guān)于應(yīng)變率與破裂模式之間關(guān)系的研究較少。

5、為了更準(zhǔn)確地預(yù)測層狀巖體的強(qiáng)度，現(xiàn)有技術(shù)中，研究者提出了基于各向異性理論的強(qiáng)度模型。這些模型通?？紤]了巖體的不同材料參數(shù)(如彈性模量、泊松比等)在不同方向上的差異，能夠更好地描述層狀巖體的復(fù)雜力學(xué)行為。

6、傳統(tǒng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則，如mohr-coulomb準(zhǔn)則和hoek-brown準(zhǔn)則，多是為各向同性巖體設(shè)計(jì)的，對于層狀巖體的各向異性考慮不足。盡管近年來有研究對這些準(zhǔn)則進(jìn)行了修正以適應(yīng)層狀巖體，但對于復(fù)雜巖體中多重因素的綜合影響，現(xiàn)有模型仍顯得不足。層狀巖體的力學(xué)參數(shù)(如彈性模量、泊松比、剪切強(qiáng)度等)往往由于巖樣的非均質(zhì)性和各向異性而難以準(zhǔn)確獲取。這些參數(shù)的測定不僅耗時且成本高，同時在一些特殊環(huán)境下難以進(jìn)行精確測量。層狀巖體的力學(xué)行為不僅僅表現(xiàn)為強(qiáng)度的降低或提升，還包括其漸進(jìn)破壞、滑移、層理面交錯等復(fù)雜行為?，F(xiàn)有理論模型在這些方面的描述仍不夠充分，特別是在非線性破壞行為的捕捉上，理論模型往往過于簡化，無法準(zhǔn)確反映實(shí)際巖體的力學(xué)特性。

7、當(dāng)前層狀巖體強(qiáng)度預(yù)測的研究在多個方面取得了重要進(jìn)展，但仍然面臨諸多局限性與不足。實(shí)驗(yàn)研究難以充分模擬實(shí)際工程條件，理論模型在捕捉復(fù)雜力學(xué)行為時存在簡化不足，數(shù)值模擬則面臨計(jì)算資源限制和模型參數(shù)敏感性問題。工程應(yīng)用中的不確定性和模型驗(yàn)證的不足也對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了較大影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對層狀巖體中的采礦和隧道工程，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)的層狀巖體拉伸強(qiáng)度預(yù)測方法和系統(tǒng)，通過精確預(yù)測層狀巖體的破壞位置和破壞模式，設(shè)計(jì)出合理的支護(hù)方案，降低工程風(fēng)險(xiǎn)和成本。所述技術(shù)方案如下：

2、一方面，提供了一種基于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)的層狀巖體拉伸強(qiáng)度預(yù)測方法，所述方法包括：分別對不同層理傾角的多組頁巖圓盤試樣進(jìn)行巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，得到初始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；基于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)原理和所述初始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算每組頁巖圓盤試樣對應(yīng)的理論抗拉強(qiáng)度；對所述初始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和所述理論抗拉強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，得到預(yù)處理之后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；基于所述預(yù)處理之后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建動態(tài)增加因子與相對應(yīng)變率的目標(biāo)關(guān)系式；所述動態(tài)增加因子為所述頁巖試樣動態(tài)抗拉強(qiáng)度的特征量；基于所述目標(biāo)關(guān)系式和預(yù)設(shè)靜態(tài)層狀強(qiáng)度準(zhǔn)則，構(gòu)建基于層狀巖體動態(tài)強(qiáng)度準(zhǔn)則的動態(tài)破裂壓力模型；基于所述動態(tài)破裂壓力模型，預(yù)測層狀巖體拉伸強(qiáng)度。

3、進(jìn)一步地，在分別對不同層理傾角的多組頁巖試樣進(jìn)行巴西劈裂實(shí)驗(yàn)之前，所述方法還包括：制備不同層理傾角的多組頁巖試樣；所述層理傾角為層理方向與第一主應(yīng)力基線方向的夾角；基于預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將所述多組頁巖試樣分別做成圓盤形試樣，得到所述多組頁巖圓盤試樣；其中，每組頁巖圓盤試樣包括多個平行試樣。

4、進(jìn)一步地，所述理論抗拉強(qiáng)度包括：

5、

6、其中，p為所述頁巖圓盤試樣破壞時的最大軸向壓力，d為所述頁巖圓盤試樣的直徑，t為所述頁巖圓盤試樣的厚度。

7、進(jìn)一步地，在基于所述目標(biāo)關(guān)系式和預(yù)設(shè)靜態(tài)層狀強(qiáng)度準(zhǔn)則，構(gòu)建基于層狀巖體動態(tài)強(qiáng)度準(zhǔn)則的動態(tài)破裂壓力模型之前，所述方法還包括：基于多個不同的靜態(tài)層狀強(qiáng)度準(zhǔn)則，預(yù)測所述多組頁巖圓盤試樣的抗拉強(qiáng)度，得到多個預(yù)測抗拉強(qiáng)度；分別將所述理論抗拉強(qiáng)度與所述多個預(yù)測抗拉強(qiáng)度進(jìn)行比較，將與所述理論抗拉強(qiáng)度差值最小的預(yù)測抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的靜態(tài)層狀強(qiáng)度準(zhǔn)則作為所述預(yù)設(shè)靜態(tài)層狀強(qiáng)度準(zhǔn)則。

8、進(jìn)一步地，所述多個不同的靜態(tài)層狀強(qiáng)度準(zhǔn)則，包括：nova-zaninetti準(zhǔn)則、spw準(zhǔn)則、hobbs-barron拉伸強(qiáng)度準(zhǔn)則。

9、進(jìn)一步地，所述動態(tài)增加因子為動態(tài)抗拉強(qiáng)度與準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度之比；所述目標(biāo)關(guān)系式包括：

10、

11、其中，dif為所述動態(tài)增加因子，σ0為0°層理傾角對應(yīng)的頁巖圓盤試樣和90°層理傾角對應(yīng)的頁巖圓盤試樣在靜態(tài)巴西劈裂拉伸強(qiáng)度的平均值，σd為頁巖圓盤試樣在不同應(yīng)變率下的動態(tài)強(qiáng)度；為應(yīng)變率(s-1)；ka、m和b為擬合系數(shù)。

12、進(jìn)一步地，所述動態(tài)破裂壓力模型，包括：

13、

14、其中，tm為巖石基質(zhì)抗拉強(qiáng)度，θ為層理傾角，t(θ)為在層理傾角為θ時的巖石抗拉強(qiáng)度，tb為當(dāng)加載方向與層理傾角一致時的巖石抗拉強(qiáng)度。

15、另一方面，還提供了一種基于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)的層狀巖體拉伸強(qiáng)度預(yù)測系統(tǒng)，包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)K，計(jì)算模塊，預(yù)處理模塊，第一構(gòu)建模塊，第二構(gòu)建模塊和預(yù)測模塊；其中，所述實(shí)驗(yàn)?zāi)K，用于分別對不同層理傾角的多組頁巖圓盤試樣進(jìn)行巴西劈裂實(shí)驗(yàn)，得到初始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；所述計(jì)算模塊，用于基于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)原理和所述初始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算每組頁巖圓盤試樣對應(yīng)的理論抗拉強(qiáng)度；所述預(yù)處理模塊，用于對所述初始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和所述理論抗拉強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，得到預(yù)處理之后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；所述第一構(gòu)建模塊，用于基于所述預(yù)處理之后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建動態(tài)增加因子與相對應(yīng)變率的目標(biāo)關(guān)系式；所述動態(tài)增加因子為所述頁巖試樣動態(tài)抗拉強(qiáng)度的特征量；所述第二構(gòu)建模塊，用于基于所述目標(biāo)關(guān)系式和預(yù)設(shè)靜態(tài)層狀強(qiáng)度準(zhǔn)則，構(gòu)建基于層狀巖體動態(tài)強(qiáng)度準(zhǔn)則的動態(tài)破裂壓力模型；所述預(yù)測模塊，用于基于所述動態(tài)破裂壓力模型，預(yù)測層狀巖體拉伸強(qiáng)度。

16、另一方面，還提供了一種電子設(shè)備，包括：存儲器、處理器和存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時實(shí)現(xiàn)如本發(fā)明提供的方法。

17、另一方面，還提供了一種計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀取存儲介質(zhì)中存儲有程序代碼，所述程序代碼可被處理器調(diào)用執(zhí)行如本發(fā)明提供的方法。

18、本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于巴西劈裂實(shí)驗(yàn)的層狀巖體拉伸強(qiáng)度預(yù)測方法和系統(tǒng)，既能完美擬合層狀巖石強(qiáng)度隨層理傾角增長呈先減小后增大的強(qiáng)度特性，又可以預(yù)測在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)的層狀巖體動態(tài)拉伸強(qiáng)度，緩解了現(xiàn)有技術(shù)中存在的針對層狀巖體很難確定或預(yù)測極限峰值強(qiáng)度的技術(shù)問題。層狀巖體破壞可能引發(fā)嚴(yán)重的工程事故，如隧道塌陷、礦井坍塌等，這類事故往往會導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，包括人員傷亡賠償、設(shè)備損壞、工期延誤等。在采礦和隧道工程中，準(zhǔn)確預(yù)測巖體強(qiáng)度可有效防止工程事故的發(fā)生，如塌方、失穩(wěn)和巖爆。通過對層狀巖體的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，工程師可以更好地設(shè)計(jì)和規(guī)劃施工方案，確保施工過程的安全性。對于隧道和礦井等工程，過度的加固或支護(hù)不僅增加施工成本，還可能造成工期延長，而不足的支護(hù)又會導(dǎo)致后期補(bǔ)救工作成本的增加。因此，通過精確預(yù)測巖體強(qiáng)度，可以預(yù)防和減少這類事故的發(fā)生，降低潛在的經(jīng)濟(jì)賠償風(fēng)險(xiǎn)。