1.一种计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法,其特征在于,包括以下步骤:实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度,所述两个位置沿裂隙长度方向距离为b,b>0;
根据以采集到的温度数据所推导的结冰过程的热传递特性计算公式,计算裂隙尖端处冰的实时温度T;
将整个裂隙内的冻胀应力分解为均布冻胀应力和线性分布冻胀应力,其中,裂隙内各位置处的均布冻胀应力均相等并等于裂隙尖端处的均布冻胀应力P,裂隙内各位置处的线性分布冻胀应力随着热传递过程的温差而变化;
裂隙尖端处的冻胀力作用则由裂隙尖端处的均布冻胀应力P以及从裂隙开口端至裂隙尖端由温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔPT产生;
根据裂隙尖端处的均布冻胀应力P计算第一应力强度因子K′I;根据裂隙尖端处的线性分布冻胀应力差ΔPT计算第二应力强度因子K″I;
根据第一应力强度因子K′I与第二应力强度因子K″I组合得到裂隙尖端处的I型应力强度因子KI;
根据I型应力强度因子KI计算裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δe,再结合裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δP,得到在当前温度下的裂隙尖端张开位移总量δ;
比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δcr,当δ≥δcr时,表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险,此时发出警报。
2.根据权利要求1所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法,其特征在于,所述热传递特性计算公式如下:式中,Ti表示裂隙内某一位置的实时温度;T1表示在裂隙开口端起始位置处采集到的冰的实时温度;T2表示在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处采集到的冰的实时温度;x表示沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置的距离,0≤x≤L,L表示从裂隙开口端起始位置到裂隙尖端处的裂隙长度,L≥b。
3.根据权利要求2所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法,其特征在于,所述裂隙尖端处的均布冻胀应力P的计算公式如下:式中,T表示裂隙尖端处的冰的实时温度;E(T)表示在温度T下冰的弹性模量;ε(T)表示在温度T下冰的应变。
4.根据权利要求2所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法,其特征在于,线性分布冻胀应力的计算公式如下:式中,ΔT表示热传递过程中裂隙内某位置处的温度增量, 0≤x≤
L;
裂隙开口端至裂隙尖端温度差引起的线性分布冻胀应力差ΔPT按如下方式计算:根据所述线性分布冻胀应力计算公式分别计算裂纹开口端与裂纹尖端的线性分布冻胀应力,即分别计算x=0、x=L时的线性分布冻胀应力,再相减即得到线性分布冻胀应力差ΔPT。
5.根据权利要求4所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法,其特征在于,第一应力强度因子K′I与第二应力强度因子K″I的计算公式分别如下:I型应力强度因子KI的表达式如下:KI=K′I+K″I。
6.根据权利要求4所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法,其特征在于,裂隙尖端处在弹性阶段产生的张开位移δe的计算公式如下:式中,μ为岩石材料的泊松比;E为岩石材料的弹性模量;σs为裂纹表面塑性区的均布拉应力;KI为Ⅰ型应力强度因子。
7.根据权利要求4所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法,其特征在于,裂纹尖端处在塑性阶段产生的张开位移δP的计算公式如下:式中,H为裂隙开口处与岩体基座的距离;h为裂隙深度;rP为转动因子,取0.3~0.5;VP为塑性部分引伸计位移。
8.一种危岩崩塌实时预警系统,其特征在于,用于执行如权利要求1~7任一所述的计及裂隙内冻胀力作用的危岩崩塌实时预警方法;包括温度采集系统、远程通信系统与远程预警系统;
所述温度采集系统包括第一温度传感器与第二温度传感器,所述第一温度传感器安装在裂隙开口端起始位置处,所述第二温度传感器安装在沿裂隙长度方向距离裂隙开口端起始位置距离为b的位置处;
所述温度采集系统用于实时获取岩体的裂隙内两个位置处冰的温度,并通过远程通信系统发送至远程预警系统;
所述远程预警系统用于根据岩体的裂隙内两个位置处冰的实时温度,计算裂隙尖端张开位移总量δ,并比较裂隙尖端张开位移总量δ与裂隙尖端张开位移临界值δcr,当δ≥δcr时,表示危岩在冻胀力作用下存在发生断裂而崩塌的风险,此时发出警报。
9.根据权利要求8所述的危岩崩塌实时预警系统,其特征在于,所述远程通信系统为5G通信系统。
10.根据权利要求8所述的危岩崩塌实时预警系统,其特征在于,所述温度采集系统通过太阳能电池板供电。