本發(fā)明涉及巖石邊坡開挖卸荷評價領(lǐng)域，特別是一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法。

背景技術(shù)：

0、技術(shù)背景

1、在巖石工程中，巖體卸荷通常指的是由于自然地理過程(如侵蝕、升降運動等)或是工程活動(如挖掘、爆破等)導(dǎo)致原本處于較高地應(yīng)力狀態(tài)的巖體表面或者近表面巖層，其上覆荷重減少或去除，從而使得應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變的過程。這種現(xiàn)象也被稱為卸荷作用或者應(yīng)力釋放，卸荷通常會導(dǎo)致巖體內(nèi)部原有的或者新的裂隙發(fā)育，因為內(nèi)部應(yīng)力重新分布，巖體試圖恢復(fù)到一個新的力學(xué)平衡狀態(tài)，從而引起巖體的強度變化、模量降低、穩(wěn)定性減弱、卸荷帶的形成以及滑坡崩塌等不良影響。對于高山峽谷地區(qū)的大型水電站，往往都有較大規(guī)模的壩基、壩肩開挖深度，巖體卸荷明顯、風(fēng)化深度大且地應(yīng)力量值高，開挖卸荷作用引起的巖體松弛效應(yīng)尤為明顯。

2、在實際工程設(shè)計和施工中，對卸荷效應(yīng)的評估十分重要，工程師會通過地質(zhì)調(diào)查、現(xiàn)場測試和監(jiān)測來評估卸荷對邊坡穩(wěn)定性的具體影響，并據(jù)此設(shè)計相應(yīng)的加固措施，或者采用適當?shù)耐诰蚍椒▉頊p少卸荷效應(yīng)。巖體卸荷穩(wěn)定分析則多采用mohr-coulomb、hoek-brown強度準則以及極限平衡法等經(jīng)典理論，結(jié)合數(shù)值模擬工具可以反映巖體的彈塑性變形和屈服破壞等力學(xué)性質(zhì)，然而實際工程中的塑性區(qū)和卸荷松弛區(qū)一般不可等同，若以塑性區(qū)代替實際開挖卸荷松弛區(qū)可能將導(dǎo)致工程設(shè)計偏于危險。對于這一問題，也有學(xué)者通過力學(xué)理論建立復(fù)雜本構(gòu)模型來反映巖體特性，此類方法往往適用于對巖體進行大量假設(shè)和簡化條件下的特殊工程問題，所建立的本構(gòu)模型往往比較復(fù)雜并需要詳細的理論驗證，在實際工程中難以真正推廣應(yīng)用。因此，建立一種簡單而有效的卸荷程度評估方法是解決上述技術(shù)問題的關(guān)鍵突破點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法。

2、本發(fā)明解決技術(shù)問題的方案包括以下步驟：

3、步驟s1，對邊坡區(qū)域進行工程勘察，開展原位地應(yīng)力測試，獲取多個位置的主應(yīng)力值與主方向，同時測試地應(yīng)力測點的巖體聲波波速，開展原位或室內(nèi)力學(xué)試驗，獲取巖體的變形和強度參數(shù)；

4、步驟s2，對工程區(qū)域巖體取樣并進行實驗性開挖，開展巖體波速試驗，測試多個應(yīng)力狀態(tài)下巖體的聲波波速，擬合試驗數(shù)據(jù)得到巖體波速v與平均應(yīng)力σm的經(jīng)驗公式，并結(jié)合地應(yīng)力測點的聲波數(shù)據(jù)驗證經(jīng)驗公式的有效性，確定工程區(qū)域巖體波速與平均應(yīng)力的經(jīng)驗公式，有如下形式：

5、v＝f(σm)??????(1)

6、σm＝(σ1+σ2+σ3)/3???????(2)

7、式中，σ1、σ2、σ3為巖體的主應(yīng)力值；

8、步驟s3，引入巖體開挖的卸荷指標k，有如下形式：

9、

10、式中，vit為無圍壓狀態(tài)下完整巖塊的聲波波速，v1、v2分別為開挖卸荷前和開挖卸荷后的邊坡巖體聲波波速，σm1、σm2分別為開挖卸荷前和開挖卸荷后的巖體平均應(yīng)力；將公式(1)帶入公式(3)，則卸荷指標k可表示為如下形式：

11、

12、卸荷指標k越大，則巖體因開挖而產(chǎn)生的卸荷程度越高，越容易引起巖體的強度變化、模量降低、穩(wěn)定性減弱、卸荷帶的形成以及滑坡崩塌等不良影響。

13、步驟s4，對工程區(qū)域建立數(shù)值計算模型，基于實測的地應(yīng)力數(shù)據(jù)開展工程區(qū)域的地應(yīng)力場反演分析，獲取工程區(qū)域的初始地應(yīng)力場；

14、步驟s5，根據(jù)擬定的開挖方案進行邊坡開挖的數(shù)值模擬，計算開挖后邊坡巖體的卸荷指標k分布規(guī)律，對邊坡巖體開挖卸荷程度進行評價，為開挖設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

15、進一步地，步驟s1中，所述變形參數(shù)包括巖體的彈性模量或巖體的變形模量以及巖體的泊松比，所述強度參數(shù)包括巖體的單軸抗壓強度、粘聚力和摩擦角。

16、進一步地，步驟s2中，所述巖體波速v與平均應(yīng)力σm呈正相關(guān)關(guān)系，擬合經(jīng)驗公式根據(jù)巖體的特性可選擇包括指數(shù)函數(shù)(公式5)、對數(shù)函數(shù)(公式6)或二次多項式的形式(公式7)，所述公式分別有如下形式：

17、v＝aecp(bσm)+c?????(5)

18、v＝aln(σm)+b???????(6)

19、v＝aσm2+bσm+c?????(7)

20、式中，a、b、c分別為擬合參數(shù)。

21、進一步地，步驟s2中，對于需要采用爆破開挖方式的大型巖質(zhì)邊坡，考慮到爆破對巖體的擾動影響，引入擾動因子d對公式(1)進行修正，擾動因子d表示為：

22、

23、式中，v'0為受到開挖擾動的邊坡巖體當σm＝0時的聲波波速，即開挖后地應(yīng)力σ1＝σ2＝σ3＝0的巖體波速；v0為未考慮挖擾動的邊坡巖體σm＝0時的聲波波速；r和s為待定參數(shù)，與開挖爆破影響深度有關(guān)，可通過開展現(xiàn)場開挖試驗確定。

24、進一步地，考慮開挖擾動的巖體波速應(yīng)力關(guān)系表示為：

25、v＝df(σm)?????????(9)

26、即經(jīng)過考慮開挖擾動的巖體波速應(yīng)力關(guān)系修正后的巖體波速和平均應(yīng)力的關(guān)系式，有如下形式：

27、

28、進一步地，步驟s3中，對于大型巖質(zhì)邊坡的爆破擾動開挖，引入擾動因子d對卸荷指標k進行修正，考慮開挖擾動的卸荷指標k，有如下形式：

29、

30、即經(jīng)過考慮開挖爆破擾動的卸荷指標k，有如下形式：

31、

32、進一步地，步驟s5中的數(shù)值模擬迭代計算過程中，當σm2趨近于0時，卸荷指標會趨近無窮大，為避免數(shù)據(jù)溢出需設(shè)定σm2的最小值σmin，當σm2<σmin，則令σm2＝σmin。

33、進一步地，步驟s5中卸荷程度的評價包括：確定強、中、弱卸荷區(qū)域的卸荷指標k的分級標準，分析因開挖引起的巖體卸荷深度及卸荷范圍是否滿足設(shè)計標準。

34、本發(fā)明提供一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，通過地質(zhì)勘察獲取工程區(qū)域地應(yīng)力情況和巖體的物理力學(xué)參數(shù)，建立易松弛巖體的波速與平均應(yīng)力關(guān)系，通過引入卸荷因子定量評價開挖擾動對巖體卸荷的影響程度，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

技術(shù)特征：

1.一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，其特征在于，步驟如下：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，其特征在于，步驟s1中，所述變形參數(shù)包括巖體的彈性模量或巖體的變形模量以及巖體的泊松比，所述強度參數(shù)包括巖體的單軸抗壓強度、粘聚力和摩擦角。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，其特征在于，步驟s2中，所述巖體波速v與平均應(yīng)力σm呈正相關(guān)關(guān)系，擬合經(jīng)驗公式根據(jù)巖體的特性可選擇包括指數(shù)函數(shù)(公式4)、對數(shù)函數(shù)(公式5)或二次多項式的形式(公式6)，所述公式分別有如下形式：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，其特征在于，步驟s2中，對于需要采用爆破開挖方式的大型巖質(zhì)邊坡，考慮到爆破對巖體的擾動影響，引入擾動因子d對公式(1)進行修正，擾動因子d表示為：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，其特征在于，考慮開挖擾動的巖體波速應(yīng)力關(guān)系表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，其特征在于，步驟s3中，對于大型巖質(zhì)邊坡的爆破擾動開挖，引入擾動因子d對卸荷指標k進行修正，考慮開挖擾動的卸荷指標k，有如下形式：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，其特征在于，步驟s5中的數(shù)值模擬迭代計算過程中，當σm2趨近于0時，卸荷指標會趨近無窮大，為避免數(shù)據(jù)溢出需設(shè)定σm2的最小值σmin，當σm2<σmin，則令σm2＝σmin。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，其特征在于，步驟s5中卸荷程度的評價包括：確定強、中、弱卸荷區(qū)域的卸荷指標k的分級標準，分析因開挖引起的巖體卸荷深度及卸荷范圍是否滿足設(shè)計標準。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗獲取工程區(qū)地應(yīng)力和巖體的物理力學(xué)參數(shù)，基于試驗數(shù)據(jù)擬合易松弛巖體的聲波波速與平均應(yīng)力的經(jīng)驗公式，定義巖體的卸荷指標為巖體開挖前后聲波波速和平均應(yīng)力的函數(shù)，通過數(shù)值模擬計算邊坡開挖的易松弛巖體卸荷指標分布情況，從而評價開挖引起的邊坡巖體卸荷程度。本方法為開挖卸荷評價提供了一個新的指標，可以定量給出邊坡巖體因上覆巖體開挖的卸荷程度，結(jié)合數(shù)值模擬可反映開挖邊坡的卸荷范圍和深度，為邊坡開挖設(shè)計提供了參考。

技術(shù)研發(fā)人員：吉華,徐建榮,鄭惠峰,王建新,顧錦健
受保護的技術(shù)使用者：中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21