本發(fā)明涉及巖石力學(xué)性能與工程研究領(lǐng)域，具體涉及一種真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則。

背景技術(shù)：

1、巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)開挖后巖石工程的災(zāi)害類型和穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用，特別是在深埋隧洞工程中，圍巖結(jié)構(gòu)面巖體處于真三維地應(yīng)力狀態(tài)且受到剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力、側(cè)向應(yīng)力這三向應(yīng)力的影響。由于隧洞施工過程中爆破、機(jī)械鉆鑿或相近區(qū)域的巖爆和斷裂產(chǎn)生強(qiáng)應(yīng)力波，強(qiáng)應(yīng)力波在圍巖傳播過程中快速衰減成低幅值低頻率的擾動(dòng)波，這種擾動(dòng)波仍能促使損傷層狀巖石內(nèi)部大量微裂紋擴(kuò)展和貫通發(fā)生破壞，破壞沿著層面擴(kuò)展，導(dǎo)致圍巖損傷區(qū)擴(kuò)大甚至發(fā)生災(zāi)害。傳統(tǒng)的巖石結(jié)構(gòu)面判據(jù)如mohr-coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則沒有考慮側(cè)向應(yīng)力、動(dòng)力擾動(dòng)應(yīng)力的幅值、頻率的影響，其預(yù)測(cè)的三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面剪切破壞的觸發(fā)條件不完全適應(yīng)與深部巖石工程，導(dǎo)致圍巖結(jié)構(gòu)面災(zāi)害預(yù)測(cè)不準(zhǔn)。因此，需要構(gòu)建真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則，作為真三維應(yīng)力條件下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)剪切破壞的判據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則，作為真三維應(yīng)力水平下巖體結(jié)構(gòu)面剪切破壞的判據(jù)，為高應(yīng)力深部工程含結(jié)構(gòu)面巖體剪切破壞災(zāi)害預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

2、為了達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供一種真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則，其包括：

3、s1、開展真三軸擾動(dòng)剪切試驗(yàn)，確定在不同法向應(yīng)力σn和不同側(cè)向應(yīng)力σp、不同幅值a、不同頻率f條件下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc；

4、s2、獲得真三軸下相同法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、頻率f與不同幅值a作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g1(a)；

5、s3、獲得真三軸下相同法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a與不同頻率f作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g2(f)；

6、s4、獲得真三軸下相同側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a、頻率f與不同法向應(yīng)力σn作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g3(σn)；

7、s5、獲得真三軸下相同法向應(yīng)力σn、幅值a、頻率f與不同側(cè)向應(yīng)力σp作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g4(σp)；

8、s6、基于步驟s2和s3、s4、s5構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g5(σn,σp,a,f)，確定巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)包絡(luò)面形態(tài)；

9、s7、開展不同于s1中法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a和頻率f組合下的巖體結(jié)構(gòu)面真三軸擾動(dòng)剪切試驗(yàn)，獲得相應(yīng)巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度，驗(yàn)證和完善三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g5(σn,σp,a,f)，其特征在于，構(gòu)建真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則g(σn,σp,a,f)的構(gòu)建方法為：

10、s7.1、開展不同于s1中法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a和頻率f組合下真三軸擾動(dòng)剪切試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值τc；

11、s7.2、把s7.1中不同于s1中法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a和頻率f代入三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g5(σn,σp,a,f)，獲得巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)值τg；

12、s7.3、計(jì)算巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值τc與預(yù)測(cè)值τg的均方根，在誤差限范圍內(nèi)，構(gòu)建真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則g(σn,σp,a,f)：

13、

14、其中，是內(nèi)摩擦角，σρ是巖體結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力，k是與側(cè)向應(yīng)力為0時(shí)擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度相同的側(cè)向應(yīng)力，p、b、c、d是模型參數(shù)。

15、所述步驟s1中，進(jìn)行不同法向應(yīng)力σn和不同側(cè)向應(yīng)力σp、不同幅值a、不同頻率f條件條件下真三軸擾動(dòng)剪切試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc的方法為：

16、s1.1、通過真三軸擾動(dòng)剪切試驗(yàn)獲得的不同試驗(yàn)條件下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)剪切加載破壞的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

17、s1.2、取等循環(huán)次數(shù)條件下的各級(jí)剪切應(yīng)力與應(yīng)變繪制τ-ετ關(guān)系圖；

18、s1.3、取曲線斜率突降的拐點(diǎn)處應(yīng)力定義為擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc。

19、所述步驟s2中，獲得真三軸下相同法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、頻率f與不同幅值a作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g1(a)的方法為：

20、s2.1、基于步驟s1中獲得的擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài)下相同法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、頻率f與不同幅值a作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律；

21、s2.2、構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g1(a)：

22、g1(a)＝a+b·aα??????????(1)

23、其中，a和b、α是模型參數(shù)。

24、所述步驟s3中，獲得真三軸下相同法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a與不同頻率f作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g2(f)的方法為：

25、s3.1、基于步驟s1中獲得的擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài)下相同法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a與不同頻率f作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律；

26、s3.2、構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g2(f)：

27、g2(f)＝c+lg(h·fd)?????????(2)

28、其中，c、d、h是模型參數(shù)。

29、所述步驟s4中，獲得真三軸下相同側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a、頻率f與不同法向應(yīng)力σn作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g3(σn)的方法為：

30、s4.1、基于步驟s1中獲得的擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài)下相同側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a、頻率f與不同法向應(yīng)力σn作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律；

31、s4.2、構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g3(σn)：

32、

33、其中，i為模型參數(shù)，是內(nèi)摩擦角。

34、所述步驟s5中，獲得真三軸下相同法向應(yīng)力σn、幅值a、頻率f與不同側(cè)向應(yīng)力σp作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律，構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g4(σp)的方法為：

35、s5.1、基于步驟s1中獲得的擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài)下相同相同法向應(yīng)力σn、幅值a、頻率f與不同側(cè)向應(yīng)力σp作用下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律；

36、s5.2、構(gòu)建巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g4(σp):

37、

38、其中，l和r是模型參數(shù)，σρ是巖石剪切應(yīng)力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力，k是強(qiáng)度與側(cè)向應(yīng)力為0時(shí)擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度相同的側(cè)向應(yīng)力。

39、所述步驟s6中，基于步驟s2和s3、s4、s5構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g5(σn,σp,a,f)，確定巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)包絡(luò)面形態(tài)的方法為：

40、s6.1、基于三維應(yīng)力狀態(tài)下不同法向應(yīng)力和不同側(cè)向應(yīng)力、不同幅值、不同頻率條件下巖體結(jié)構(gòu)面剪切峰值強(qiáng)度規(guī)律，構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度τc變化規(guī)律；

41、s6.2、構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g5(σn,σp,a,f)：

42、

43、其中，b和d、h、r是模型參數(shù)，n是粘聚力；

44、s6.3、根據(jù)所構(gòu)建的巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型，確定巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)包絡(luò)面形態(tài)。

45、所述步驟s7中，開展不同于s1中法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a和頻率f組合下的巖體結(jié)構(gòu)面真三軸擾動(dòng)剪切試驗(yàn)，獲得相應(yīng)巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度，驗(yàn)證和完善三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g5(σn,σp,a,f)，其特征在于，構(gòu)建真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則g(σn,σp,a,f)的構(gòu)建方法為：

46、s7.1、開展不同于s1中法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a和頻率f組合下真三軸擾動(dòng)剪切試驗(yàn)，獲得相應(yīng)的巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值τc；

47、s7.2、把s7.1中不同于s1中法向應(yīng)力σn、側(cè)向應(yīng)力σp、幅值a和頻率f代入三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度函數(shù)模型g5(σn,σp,a,f)，獲得巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)值τg；

48、s7.3、計(jì)算巖體結(jié)構(gòu)面擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度試驗(yàn)值τc與預(yù)測(cè)值τg的均方根，在誤差限范圍內(nèi)，構(gòu)建真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則g(σn,σp,a,f)：

49、

50、其中，是內(nèi)摩擦角，σρ是巖體結(jié)構(gòu)面剪切應(yīng)力最大時(shí)對(duì)應(yīng)的側(cè)向應(yīng)力，k是與側(cè)向應(yīng)力為0時(shí)擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度相同的側(cè)向應(yīng)力，p、b、c、d是模型參數(shù)。

51、本發(fā)明的有益效果為：

52、1、本發(fā)明基于考慮三維應(yīng)力狀態(tài)下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度，構(gòu)建了同時(shí)考慮法向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力、動(dòng)力擾動(dòng)應(yīng)力幅值和頻率共同作用下巖體結(jié)構(gòu)面三維破壞準(zhǔn)則，完整表征了三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面的擾動(dòng)臨界剪切強(qiáng)度規(guī)律。

53、2、本發(fā)明通過真三軸剪切試驗(yàn)構(gòu)建了真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)剪切強(qiáng)度函數(shù)，參數(shù)物理意義明確，可作為對(duì)隧洞工程圍巖結(jié)構(gòu)面巖體剪切破壞的判據(jù)。

54、3、本發(fā)明構(gòu)建的真三維應(yīng)力下巖體結(jié)構(gòu)面動(dòng)力擾動(dòng)破壞準(zhǔn)則進(jìn)行二次開發(fā)后，可用于地下巖石工程含結(jié)構(gòu)面圍巖穩(wěn)定性分析和預(yù)測(cè)。