一种基于时滞能量的长期组合荷载作用下岩石时效损伤评价方法及系统

本发明涉及岩石力学、地下工程长期稳定性评价和矿山灾害预警，尤其涉及一种基于时滞能量的长期组合荷载作用下岩石时效损伤评价方法及系统。

背景技术：

1、深部矿山开采、地下洞库、隧道围岩、边坡岩体以及地下储能工程中，岩体长期处于复杂应力环境。岩体一方面承受原岩应力、覆岩压力或构造应力等近似恒定荷载，另一方面又受到采动扰动、机械振动、顶板周期破断等周期性扰动荷载影响。因此，工程岩体常表现为长期恒定荷载与循环扰动荷载共同作用或交替作用下的组合荷载受力状态。

2、现有岩石能量损伤评价方法通常依据加载过程中的输入能、弹性能和耗散能进行损伤判定，能够反映瞬时加载条件下岩石能量储存和耗散特征。然而，在长期组合荷载作用下，岩石变形并非仅由瞬时加载引起，还包括保载或循环扰动持续过程中随时间累积的时效变形，以及卸载后随时间发生的滞弹性恢复。若仍采用常规能量法直接进行损伤评价，容易将瞬时变形能量与时效变形能量混合处理，难以区分可恢复时效储能和不可恢复时效耗散，也难以判断岩石是否由稳定储能状态转入时效损伤活化状态。

3、针对上述问题，如何提出一种基于时滞能量的长期组合荷载作用下岩石时效损伤评价方法及系统，将应变时效累积和卸载后滞弹性恢复纳入能量计算过程，从而弥补常规能量损伤评价中忽略时效作用的不足。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于时滞能量的长期组合荷载作用下岩石时效损伤评价方法及系统，适用于岩石在长期恒定荷载、循环扰动荷载及其交替组合荷载作用下的能量演化分析、时效损伤识别和长期稳定性评价，通过时滞能量的分解与多指标联合评价，解决常规能量法难以区分瞬态损伤与时效损伤、难以识别损伤活化转变过程的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于时滞能量的长期组合荷载作用下岩石时效损伤评价方法，包括以下步骤：

4、s1：数据获取步骤：采集待评价岩石在长期组合荷载作用下的应力、应变、时间数据；

5、s2：应变识别步骤：从s1采集到的应力、应变和时间数据中识别岩石的瞬时应变、时效累积应变以及卸载后的滞弹性恢复应变；

6、s3：能量分解计算步骤：根据瞬时应变、时效累积应变和滞弹性恢复应变，将岩石受荷过程中的输入能密度分解为总瞬态能密度和总时滞能密度；

7、将总瞬态能密度分解为瞬态弹性能密度和瞬态耗散能密度，将时滞能密度分解为时滞弹性能密度和时滞耗散能密度；

8、s4：指标计算步骤：基于时滞弹性能密度和时滞耗散能密度计算时滞能量分配指标，并基于时滞耗散能密度和瞬态耗散能密度计算时滞损伤活跃度；

9、s5：损伤评价步骤：融合强度损伤系数、时滞能量分配指标、时滞损伤活跃度的变化趋势，综合判定岩石时效损伤阶段。

10、上述的方法，可选的，s1中长期组合荷载的应力路径包括加载至预设应力水平后的保载阶段、卸载恢复阶段、循环扰动阶段以及循环扰动后的再次卸载恢复阶段，用于诱发并记录岩石在长期组合荷载作用下的时效变形和滞弹性恢复过程；

11、长期组合荷载为恒定荷载、循环扰动荷载或二者交替组合。

12、上述的方法，可选的，s2中瞬时应变：加载或卸载瞬间由应力变化引起的应变；时效累积应变：在恒定荷载保持阶段或循环扰动持续阶段随时间或循环历程累积的应变；滞弹性恢复应变：卸载后岩石随时间恢复的可逆时效应变。

13、上述的方法，可选的，s3中岩石受荷过程中的输入能密度为岩石总输入能密度，将岩石总输入能密度分解为总瞬态能密度和总时滞能密度，满足：

14、；

15、其中，总瞬态能密度对应瞬时加载过程中的能量输入，总时滞能密度对应长期荷载持续作用下由时效累积应变产生的能量输入；

16、总瞬态能密度进一步分解为瞬态弹性能密度和瞬态耗散能密度，满足：

17、

18、总时滞能密度进一步分解为时滞弹性能密度和时滞耗散能密度，满足：

19、

20、式中，为瞬态弹性能密度，为瞬态耗散能密度，为时滞弹性能密度，为时滞耗散能密度。

21、上述的方法，可选的，总瞬态能密度和瞬态弹性能密度分别按下式计算：

22、；

23、；

24、其中，、和分别为第一、第二和第三主应力；、和分别为对应主应力方向产生的瞬时应变；、和分别为对应主应力方向产生的瞬时弹性应变；瞬态耗散能密度通过计算；

25、时刻总时滞能密度和时滞弹性能密度分别按下式计算：

26、；

27、；

28、其中，、和分别为对应主应力方向在时刻产生的时效累积应变，、和分别为对应主应力方向在时刻对应的时效弹性应变，时效弹性应变由卸载后滞弹性恢复应变确定；时滞耗散能密度通过计算。

29、上述的方法，可选的，s4中的时滞能量分配指标包括时滞弹性能分配系数和时滞耗散能分配系数，其中：

30、；

31、；

32、其中，和分别为第

m次交替加载过程中的时滞弹性能密度和时滞耗散能密度；

33、时滞损伤活跃度，按下式计算：

34、；

35、其中，为第

m次交替加载过程中的时滞耗散能密度，为对应的瞬态耗散能密度；时滞损伤活跃度与时效损伤在当前耗散损伤中的贡献成正比。

36、上述的方法，可选的，s5中强度损伤指标按下式计算：

37、；

38、其中，和分别为第

m次交替加载过程中的瞬态耗散能和时滞耗散能，为岩石破坏时的累积耗散能。

39、上述的方法，可选的，s6 损伤阶段判定规则：

40、（1）升高、降低：压密调整阶段，岩石以可恢复时效储能、结构孔隙压密为主；

41、（2）高位稳定、低值平稳：稳定损伤阶段，岩体承载结构稳定；

42、（3）小幅下降、与小幅上升：损伤发展阶段，微损伤持续累积；

43、（4）明显下降、与同步升高：损伤活化阶段，时效不可逆耗散增强；

44、（5）持续走低、与持续大幅升高：加速劣化阶段，岩体裂隙贯通、临近失稳。

45、一种基于时滞能量的长期组合荷载作用下岩石时效损伤评价系统，用于实现上述任一项所述的一种基于时滞能量的长期组合荷载作用下岩石时效损伤评价方法，包括依次连接的数据获取模块、应变识别模块、能量分解计算模块、指标计算模块、损伤评价模块；

46、数据获取模块，用于采集待评价岩石在长期组合荷载作用下的应力、应变、时间数据；

47、应变识别模块，用于从采集到的应力、应变和时间数据中识别岩石的瞬时应变、时效累积应变以及卸载后的滞弹性恢复应变；

48、能量分解计算模块，用于根据瞬时应变、时效累积应变和滞弹性恢复应变，将岩石受荷过程中的输入能密度分解为总瞬态能密度和总时滞能密度；

49、将总瞬态能密度分解为瞬态弹性能密度和瞬态耗散能密度，将时滞能密度分解为时滞弹性能密度和时滞耗散能密度；

50、指标计算模块，用于基于时滞弹性能密度和时滞耗散能密度计算时滞能量分配指标，并基于时滞耗散能密度和瞬态耗散能密度计算时滞损伤活跃度；

51、损伤评价模块，用于融合强度损伤系数、时滞能量分配指标、时滞损伤活跃度的变化趋势，综合判定岩石时效损伤阶段。

52、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于时滞能量的长期组合荷载作用下岩石时效损伤评价方法及系统，具有以下有益效果：

53、（1）将岩石在长期组合荷载下的能量分解为瞬态能和时滞能，能够解决传统能量损伤评价中忽略时间效应的问题；

54、（2）利用卸载后的滞弹性恢复应变计算时滞弹性能，能够识别长期荷载作用下岩石可恢复时效储能能力；

55、（3）通过时滞耗散能和时滞损伤活跃度评价不可恢复时效变形对损伤发展的贡献，能够识别岩石由稳定储能向损伤活化转变的过程；

56、（4）将强度损伤系数、时滞弹性能分配系数、时滞耗散能分配系数和时滞损伤活跃度结合使用，避免单一指标评价的片面性；

57、（5）适用于煤矿、金属矿、地下洞库、隧道围岩和边坡岩体等长期组合荷载环境下的岩石时效损伤评价。