[发明专利]一种用于评价椭圆形空腔影响硐室稳定性的新模型

说明书

本发明内容公开一种用于评价椭圆形空腔影响硐室稳定性的新模型—CSSECSC模型，属于隧道工程领域，主要借助于大型冲击试验装置对提出的CSSECSC模型进行动力扰动载荷加载，该发明构型具有很强实践应用性；由于发明模型的尺寸较大，硐室围岩的动态断裂全过程可以很好地进行观测，适用于各种含空腔缺陷硐室工程相关失稳问题的研究；将原位现场所测的动力扰动载荷代入有限元差分法软件，得到椭圆形空腔内的能量耗散比例与应力波传播规律，随后结合裂纹的动态断裂时刻确定出裂纹的动态断裂韧度，根据动态断裂韧度对含椭圆形空腔缺陷硐室岩体的稳定性进行评价，进一步考虑将本文发明内容基于相似比例应用于硐室工程爆破开挖、围岩支护等工程问题。

技术领域

本发明内容属于隧道工程应用研究领域，涉及对动力扰动载荷作用下椭圆形空腔对硐室内应力波传播模型与能量耗散影响规律的研究构型。

背景技术

地下硐室与隧道围岩岩体中通常都存在着各种缺陷，这些缺陷对硐室结构的安全性有着很大程度的影响。一般而言，岩体缺陷可以概括为以下三类，一类是裂纹缺陷，比如天然裂缝、施工裂缝等；二类是空腔缺陷，比如溶洞、天然空腔、钻孔等；三类是节理等，比如天然节理、人工填充节理。在爆炸载荷、地震波等动力扰动载荷作用下，岩体很容易在缺陷处萌生裂纹并发生扩展，使得岩体发生破坏，并且其岩体破坏速率是远大于在静载下的破坏速率的，这将造成严重的地质灾害，并且会伴随着大量的经济损失和人员伤亡，因此，国内外研究学者对硐室工程围岩附近含缺陷问题做了大量科学研究。但是，他们主要考虑的是硐室附近含裂纹缺陷的问题，很少研究考虑空腔缺陷的情况，比如椭圆形空腔。

众所周知，霍普金森杆实验装置是应用最广泛的应力波加载装置，但该装置只能适用于小尺寸试件。在实验时，小试件内部裂纹扩展还未结束，应力波已经在试件内部完成了多次透反射，这将会对扩展中的裂纹造成干扰，从而影响实验结果。为此，本发明采用团队自行设计的落锤冲击实验装置对含椭圆空腔缺陷的硐室岩体结构应力波传播进行评估。该装置既有霍普金森杆实验装置的基本功能，又适用于大尺寸试件，从而能有效避免应力波在围岩内部反复反射对动态破坏行为造成干扰。

动态断裂韧度与应力波衰减系数是表征岩石在动态载荷作用下含裂纹岩石抵抗破坏的重要指标，目前已被国内外学者广泛运用于含裂纹岩石的安全性评估与运算，并成功的运用于隧道工程实践中。本发明也将基于动态断裂韧度对含椭圆形空腔缺陷的硐室岩体稳定性进行定量化的评估。对于动态断裂韧度的计算方法，目前广泛采用的实验-数值法。具体流程是首先采用有限元软件利用位移外推法计算动态应力强度因子，再根据实验测得的动态断裂时间，确定裂纹的动态断裂韧度。

本发明主要是基于研究团队的研究成果基础上进行深入分析得出的发明成果，提出了一种适用于研究含有椭圆形空腔缺陷的硐室结构岩体在各种动力扰动载荷作用下应力波传播规律与能量耗散规律的新模型。该构型可以用来研究各种含有椭圆形空腔缺陷的硐室岩体在动态载荷作用下的应力波传播行为与隧道工程动态断裂行为，这在隧道工程研究领域寥寥无几；研究含椭圆形空腔缺陷的硐室岩体在动态载荷作用下裂纹的动态起裂韧度、动态扩展韧度，它们是裂纹起裂和动态扩展过程中评价岩体稳定性地重要参数；本发明的研究成果将用于隧道工程理论研究，隧道工程的设计、维护及加固等问题提供理论研究基础，对硐室岩体附近存在椭圆形空腔缺陷时，裂纹扩展路径预测提供方法与硐室开挖爆破方案提供理论设计支撑。

发明内容

本发明实施示例的主要内容是提供了一种用于评价椭圆形空腔影响硐室稳定性的新模型，研究在动力扰动载荷作用下椭圆形空腔缺陷对裂纹扩展的影响规律。