一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法與流程

本發明涉及巖石邊坡開挖卸荷評價領域，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：

0、技術背景

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)導致原本處于較高地應力狀態的巖體表面或者近表面巖層，其上覆荷重減少或去除，從而使得應力狀態發生改變的過程。這種現象也被稱為卸荷作用或者應力釋放，卸荷通常會導致巖體內部原有的或者新的裂隙發育，因為內部應力重新分布，巖體試圖恢復到一個新的力學平衡狀態，從而引起巖體的強度變化、模量降低、穩定性減弱、卸荷帶的形成以及滑坡崩塌等不良影響。對于高山峽谷地區的大型水電站，往往都有較大規模的壩基、壩肩開挖深度，巖體卸荷明顯、風化深度大且地應力量值高，開挖卸荷作用引起的巖體松弛效應尤為明顯。

2、在實際工程設計和施工中，對卸荷效應的評估十分重要，工程師會通過地質調查、現場測試和監測來評估卸荷對邊坡穩定性的具體影響，并據此設計相應的加固措施，或者采用適當的挖掘方法來減少卸荷效應。巖體卸荷穩定分析則多采用mohr-coulomb、hoek-brown強度準則以及極限平衡法等經典理論，結合數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性質，然而實際工程中的塑性區和卸荷松弛區一般不可等同，若以塑性區代替實際開挖卸荷松弛區可能將導致工程設計偏于危險。對于這一問題，也有學者通過力學理論建立復雜本構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和簡化條件下的特殊工程問題，所建立的本構模型往往比較復雜并需要詳細的理論驗證，在實際工程中難以真正推廣應用。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問題的關鍵突破點。

技術實現思路

1、本發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、本發明解決技術問題的方案包括以下步驟：

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

4、步驟s2，對工程區域巖體取樣并進行實驗性開挖，開展巖體波速試驗，測試多個應力狀態下巖體的聲波波速，擬合試驗數據得到巖體波速v與平均應力σm的經驗公式，并結合地應力測點的聲波數據驗證經驗公式的有效性，確定工程區域巖體波速與平均應力的經驗公式，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，對工程區域建立數值計算模型，基于實測的地應力數據開展工程區域的地應力場反演分析，獲取工程區域的初始地應力場；

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

15、進一步地，步驟s1中，所述變形參數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與平均應力σm呈正相關關系，擬合經驗公式根據巖體的特性可選擇包括指數函數(公式5)、對數函數(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。

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，與開挖爆破影響深度有關，可通過開展現場開挖試驗確定。

24、進一步地，考慮開挖擾動的巖體波速應力關系表示為：

25、v＝df(σm)?????????(9)

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

27、

28、進一步地，步驟s3中，對于大型巖質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，為避免數據溢出需設定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計標準。

34、本發明提供一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，通過地質勘察獲取工程區域地應力情況和巖體的物理力學參數，建立易松弛巖體的波速與平均應力關系，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，為優化設計提供依據。

技術特征：

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.根據權利要求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，所述強度參數包括巖體的單軸抗壓強度、粘聚力和摩擦角。

3.根據權利要求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與平均應力σm呈正相關關系，擬合經驗公式根據巖體的特性可選擇包括指數函數(公式4)、對數函數(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.根據權利要求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.根據權利要求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力關系表示為：

6.根據權利要求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.根據權利要求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，為避免數據溢出需設定σm2的最小值σmin，當σm2<σmin，則令σm2＝σmin。

8.根據權利要求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計標準。

技術總結
本發明公開了一種易松弛巖體的邊坡開挖卸荷程度評價方法，通過現場和室內試驗獲取工程區地應力和巖體的物理力學參數，基于試驗數據擬合易松弛巖體的聲波波速與平均應力的經驗公式，定義巖體的卸荷指標為巖體開挖前后聲波波速和平均應力的函數，通過數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，結合數值模擬可反映開挖邊坡的卸荷范圍和深度，為邊坡開挖設計提供了參考。

技術研發人員：吉華,徐建榮,鄭惠峰,王建新,顧錦健
受保護的技術使用者：中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21