本發明屬于巖土工程，具體涉及一種與現場巖體自適應的爆破損傷模擬技術。

背景技術：

1、巖體爆破開挖過程中，爆破荷載不可避免會對開挖面附近保留巖體造成一定程度損傷，影響工程穩定。采用聲波測試的方法確定巖體損傷范圍費時費力且主觀性強，準確、快速的預測巖體爆破損傷范圍，從而提出有效的控制措施，對于保證爆破施工安全具有十分重要的意義。為此，相關學者開展了大量研究，提出了一系列巖體爆破損傷模型，并通過數值模擬的方法對巖體爆破損傷特性進行預估。由于這些模型針對不同的巖體提出，盡管其在相關研究中得到一定的應用，巖體參數確定復雜，且不具備靈活調整的要求，在具體實際工程中的適用性和準確性仍待商榷與驗證。因此，有必要提出一種與現場巖體自適應的爆破損傷數值仿真技術，以便實現巖體開挖爆破損傷的有效控制，保證巖石高邊坡開挖爆破的長期運行安全。

技術實現思路

1、針對現有技術存在的問題，本發明擬提供一種與現場巖體自適應的爆破損傷模擬技術，能夠準確地對現場巖體爆破損傷特性進行預測。本發明為解決現有技術中存在的問題采用的技術方案如下：

2、一種與現場巖體自適應的爆破損傷模擬技術，包括如下步驟：

3、步驟1、建立巖體爆破損傷變量與巖體聲波速度和巖體力學參量之間的函數關系，采用彈性力學理論計算方法和數學擬合相結合的方法，建立爆破損傷計算中需輸入的物理力學參數與損傷變量的迭代關系；

4、步驟2、持續開展巖體聲波測試，跟蹤巖體損傷發展的變化特征和物理力學參數變化特征，采用回歸分析的方法建立損傷隨時間發展的力學關系，基于8～10次數據的擬合，取每次擬合的平均值，建立與現場巖體相適應的爆破損傷本構關系；

5、步驟3、基于步驟1和步驟2的分析結果，分別將嵌入損傷變量的巖體損傷計算輸入參數和嵌入時間的巖體爆破損傷本構關系引入爆破損傷數值仿真中，得到爆破損傷模型，實現爆破損傷計算與巖體動力學特性的學習和適應；

6、步驟4、采用fortran語言將爆破損傷模型編譯成用戶固定格式的自定義程序，將用戶自定義程序通過二次開發接口嵌入動力有限元軟件lsdyna中，計算和模擬巖體爆破損傷特征。

7、所述步驟1中巖體爆破損傷變量與巖體聲波速度之間建立的函數關系表達式如下：

8、

9、式(1)中：d為巖體爆破損傷變量；vp為測得的巖體聲波速度；vp0為未損傷巖體聲波波速；

10、所述步驟1中巖體爆破損傷變量與巖體力學參量，基于廣義hoek?brown準則建立的函數關系表達式如下：

11、

12、式(2)中：σ1與σ3分別為巖體最大主應力和最小主應力；σc為完整巖石的單軸抗壓強度；mb，s，a為巖體材料參數，與巖性和巖體結構面情況有關，可分別表示為：

13、

14、式(3)-(5)中：gsi為地質強度指標；d為巖體爆破損傷變量，表征爆破開挖引起的巖體力學參數的弱化；mi為反映完整巖石軟硬程度的參數；

15、根據式(1)-(5)，建立所述巖體爆破損傷變量與巖體聲波速度、巖體力學參量的函數關系。

16、所述步驟2具體包括：

17、步驟2.1、在現場爆破區布置2～4組聲波測試孔，對每組聲波測試孔內不同深度處巖體聲波速度進行測試，得到每組聲波測試孔內不同深度處巖體聲波速度，并根據損傷巖體聲波速度低于未損傷巖體聲波速度的原則，確定未損傷巖體聲波速度；

18、步驟2.2、根據測得的每組聲波測試孔內不同深度處巖體聲波速度以及確定的未損傷巖體聲波速度，基于式(1)計算每組聲波測試孔內不同深度處巖體爆破損傷變量；

19、步驟2.3、將測得的多組聲波測試孔內同一深度處巖體聲波速度累加并取平均值，將計算的多組聲波測試孔內同一深度處巖體爆破損傷變量累加并取平均值，對聲波測試孔內不同深度處的巖體聲波速度平均值與巖體爆破損傷變量平均值進行擬合，得到巖體爆破損傷變量與巖體聲波速度的優化函數關系式：

20、d＝f1(vp)?(6)

21、步驟2.4、根據測得的每組聲波測試孔內不同深度處巖體聲波速度以及確定的未損傷巖體聲波速度，基于式(6)計算每組聲波測試孔內不同深度處優化的巖體爆破損傷變量，進一步基于式(3)-(4)計算每組聲波測試孔內不同深度處巖體材料參數mb與s；

22、步驟2.5、將計算的多組聲波測試孔內同一深度處巖體材料參數mb、s分別累加并取各自平均值，將計算的多組聲波測試孔內同一深度處優化的巖體爆破損傷變量累加并取平均值，對聲波測試孔內不同深度處巖體材料參數mb、s各自平均值以及優化的巖體爆破損傷變量平均值分別進行擬合，得到巖體爆破損傷變量與巖體材料參數mb、s的優化函數關系式：

23、mb＝f2(d)?(7)

24、s＝f3(d)?(8)

25、步驟2.6、連續開展8～10個臺階的爆破聲波測試，跟蹤巖體損傷發展的變化特征，采用回歸分析的方法建立損傷隨時間發展的力學關系，基于數據擬合，取每次擬合的平均值，建立與現場巖體相適應的爆破損傷本構關系。

26、d＝f(t,σ1,σ3,σc,mi,gsi)?(9)

27、所述步驟3具體包括：根據應力狀態特征方程計算巖體單元主應力：

28、

29、式(10)中：σn表示巖體單元主應力，i1、i2、i3分別為第一、第二、第三應力張量不變量，可表示為：

30、i1＝σx+σy+σz?(11)

31、

32、

33、式(11)-(13)中：σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx為巖體單元六個獨立的應力分量；

34、將式(10)的三個實數根按代數值大小排列，得到巖體單元最大主應力σ1與最小主應力σ3，分別表示為：

35、σ1＝g1(σ1,σ2,σ3,τxy,τyz,τzx)?(14)

36、σ3＝g2(σ1,σ2,σ3,τxy,τyz,τzx)?(15)

37、根據式(9)、(14)、(15)，計算巖體爆破損傷變量d并對其進行修正，若d≥1，則令d＝1且添加失效準則設置單元失效；

38、基于廣義hoek?brown準則，巖體彈性模量計算公式為：

39、

40、巖體泊松比計算公式為：

41、

42、根據增量型的虎克定律記錄爆破荷載下巖石的損傷效應：

43、

44、在建立與現場巖體自適應的爆破損傷模型之前，還包括：根據工程地質勘測和巖石物理力學參數室內試驗確定完整巖石的單軸抗壓強度σc、巖石的軟硬程度參數mi和巖體的地質強度指標gsi。

45、本發明具有如下優點：

46、(1)建立了一種巖體損傷變量與巖體物理力學計算參數自適應的爆破損傷模擬技術，可以精確、動態地反映巖體在爆破損傷作用下的巖體輸入物理力學參數的變化特征。

47、(2)建立了一種與巖體自適應的損傷本構關系隨時間變化的方法，突破了傳統數值計算中采用假定彈性或理想彈塑性的技術瓶頸，通過自適應和自學習，能夠對現場巖體的爆破損傷特征進行準確地預估，為實際工程安全設計提供較好的指導作用。

48、(3)本發明將現場測試結果動態融入至爆破損傷模擬計算中，實現了數值仿真計算參數校核和現場對比校正的技術進步。