CN109116407A - 高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种边坡稳定性评价方法，具体涉及一种高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其属于边坡稳定性评价技术领域。一种高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，包括如下步骤：步骤一，确定高陡边坡开挖易滑破碎带位置，步骤二，测定高陡边坡初始波速及随开挖深度h_i对应的波速步骤三，确定高陡边坡初始应力P₀及随开挖深度h_i时应力P_i，步骤四，确定高陡边坡单位卸载量的波速响应值μ_i，步骤五，确定高陡边坡单位卸载量的波速响应比λ_i，步骤六，评价高陡岩体边坡稳定性。依据岩体滑移带波速变化与其稳定性关系建立和确定一种新的岩体边坡开挖稳定性评价参数与方法，这对岩体边坡稳定性评价与防治领域具有重要的理论和应用价值。

Description

高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法

技术领域

本发明涉及一种边坡稳定性评价方法，具体涉及一种高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其属于边坡稳定性评价技术领域。

背景技术

近年来，随着人类的工程活动不断增加，以及边坡支护形式不当及降雨、附加荷载等因素的影响，边坡开挖时产生的失稳破坏已成为我国严重的环境岩土工程问题之一，给地基工程带来极大的破坏，并造成巨大的经济损失和生命安全威胁。而高陡岩体边坡开挖是边坡失稳破坏的主要诱因之一，其诱发的高陡岩体滑坡具有极大的破坏性。所以，加强高陡岩体边坡开挖稳定性分析与评价，依此降低岩体滑坡对工程及人类生命的危害，在边坡稳定性评价与防治领域具有十分重要的科学意义和工程应用价值。

现有的岩体边坡稳定性评价方法有极限平衡分析法、数值分析法、位移时序分析法。其中，极限平衡分析法主要包括Fillenius法、Bishop法、Janbu法、Sarma法等。他们均根据滑体或滑体分块的力学平衡原理(即静力平衡原理)分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。该方法的最大的优点就是计算简便，可比较准确的对边坡滑体或滑体分块进行分析与评价，但上述各方法对于边坡的滑裂面形状、边坡岩土体的性质以及计算过程中的假设都有诸多限制，其计算结果的精度也各不相同，而且极限平衡分析法是建立在极限平衡理论基础上的各种稳定性分析方法，没有考虑岩土体内部的应力应变关系，无法分析边坡破坏的发生和发展过程，无法考虑变形对边坡稳定性的影响、岩土体与支挡结构的共同作用及其变形协调；同时岩体边坡的失稳属于突变型滑坡，其失稳前的位移相较于土体边坡小，但在岩体边坡开挖过程中岩体中积聚的弹性变形能可能会猛烈释放，使岩体爆裂并且弹射出来，出现岩爆现象。这种突然发生的脆性破坏不利于极限平衡法评价岩体边坡的稳定性，影响该方法的评价结果；数值分析法把传统力学方法中的方程问题转化为大型线性方程组，并利用现代先进的计算方法求解该方程组，解决了以前一直回避的复杂计算问题，能够考虑岩体的不连续性，岩土体应力-应变关系的非线性特性，力学性质方面的各向异性及复杂边界等问题，同时能够计算岩体的弹性变形状态及破坏状态；然而数值分析法由于受地质模型、简化的力学模型和力学参数的影响，其计算结果常常很难做出高精度的评价；位移时序分析法是运用边坡系统演化的位移时间序列数据等边坡稳定性演化信息，预测和评价边坡的稳定性及失稳时间的一种方法。该类方法的位移(变形)监测具有较高精度，而且比较容易实施，反映了边坡稳定性状态，在一定程度上克服了极限平衡力学方法的局限与不足。但是，该方法一般只能解释滑坡的变形位移过程与规律，而解释不了引起滑坡变形与失稳的形成机理和力学动因，所以其计算结果容易受到力学及环境因素的影响。综上所述，针对岩体边坡变形小和突变性特点，能否依据岩体滑移带波速变化与其稳定性关系建立和确定一种新的岩体边坡开挖稳定性评价参数与方法，以此克服上述传统方法的局限与不足，这对岩体边坡稳定性评价与防治领域具有重要的理论和应用价值。

发明内容

本发明针对上述不足，提供一种高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，该方法利用声波探测装置，对岩体边坡开挖时的声波传播速度变化进行探测，从而可确定出岩体边坡开挖时的声波波速的变化值，依次确定单位卸载量的波速响应比，进而根据岩体边坡稳定性判据准则，对开挖岩体边坡稳定性进行高效、高精度的分析与评价。其具体步骤如下：

步骤一：高陡边坡开挖易滑破碎带位置的确定

根据《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》，运用RQD方法对边坡岩体质量进行定量评价。对岩体边坡地段自上而下、每10m进行一组采样。采用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，并把第i个钻孔中钻取的岩心中长度大于10cm的累计长度记为l_i，把钻孔的深度记为l₀。运用公式(1)求得岩石质量指标RQD的值。

根据上述公式(1)求得岩体边坡不同钻孔岩体RQD值，统计对比，将岩体RQD值最小值的钻孔区域确定为岩体边坡的破碎带位置。

步骤二：高陡边坡初始波速及随开挖深度h_i对应的波速的测定

沿高陡边坡破碎带横向区域进行跨孔平测透射法测波速，两钻孔布置在破碎带中线两端。按上述要求布置钻孔后，采用YL-PST超声波检测仪，根据《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》测定高陡岩体边坡易滑破碎带位置波速。边坡开挖前，对边坡整体波速进行测定，其波速平均值作为初始波速V_p0；边坡开挖深度h_i后，对边坡开挖坡顶至h_i区域进行声波测定，测定其开挖深度为h_i对应的多个波速值，取其平均值为当挖至下一开挖深度h_i+1时，测定从坡顶至h_i+1区域平均波速为以下开挖深度依次类推。

步骤三：高陡边坡初始应力P₀及随开挖深度h_i时应力P_i的确定

在岩体边坡开挖前，在破碎带中心位置布置KSE－Ⅱ－1钻孔应力计，应力计沿竖直方向等间距△h(h为基坑深度)布置。布置应力计后，用KSE－Ⅲ钢弦测力仪与各个应力计相连。并采用如下步骤进行应力测定：

1)边坡开挖前，用钢弦测力仪测定所有应力计的起始频率值f₁，由公式(2)求得各应力计应力值，取其平均值为初始应力P₀；

2)边坡开挖后，从坡顶至开挖深度h_i范围内用钢弦测力仪测定所有应力计对应的频率值f_i，由公式(2)求得各应力计在开挖深度h_i时的应力值，取其平均值为开挖深度h_i时应力P_i；

3)当开挖至下一开挖深度h_i+1时，测定h_i至h_i+1范围内应力计频率值f_i+1并计算其应力值，将其与上一开挖深度h_i对应的应力值取平均值为P_i+1，以下开挖深度按上述步骤依次类推；

P_i＝C(f₀ ²-f_i ²) (2)

式中：C-应力计常数；

f₀-为无荷载时的频率值(其值安装前由室内试验确定)；

f_i-为应力计在有荷载时的频率值；

步骤四：高陡边坡单位卸载量的波速响应值μ_i的确定

根据步骤(二)、(三)，确定出各参数值，按如下步骤计算开挖深度h_i时的单位卸载量的波速响应值μ_i：

1)将开挖深度h_i时相对于上一开挖深度h_i-1时的变化量记为

2)将开挖深度h_i时应力P_i相对于上一开挖深度h_i-1应力P_i-1的变化量记为△P_i；

3)将上述波速变化量与应力变化量△P_i的比值定义为单位卸载量的波速响应值μ_i，其值由公式(3)确定：

步骤五：高陡边坡单位卸载量的波速响应比λ_i的确定

将单位卸载量的波速响应值μ_i-1与上一开挖深度单位卸载量的波速响应值的比值确定为单位卸载量的波速响应比λ_i，其值由公式(4)确定：

在边坡开挖过程中，以单位卸载量的波速响应比λ_i的变化情况为依据，对边坡稳定性进行评价。

步骤六：高陡岩体边坡稳定性的评价

(1)当岩质边坡在开挖过程中，如果测定的波速不变化或变化幅度不明显，说明其内部结构没有发生破坏，表明此时边坡为稳定边坡。

(2)当岩质边坡在开挖过程中，波速发生变化时且出现以下情况：

①如果λ_i＝1时，即μ_i与μ_i-1变化幅度相同，表明边坡为不稳定边坡。此时应加强对边坡的动态监测频率，并采取在坡体的中前部或舌部打入锚杆或者抗滑桩等措施，提前消除滑坡的危险。

②如果λ_i>1时，即μ_i＞μ_i-1时，此时判定坡体处于破坏状态，应及时发出预警，并立即组织人员撤离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：运用新型声波探测装置，确定高陡岩体边坡易滑破碎带。通过钻孔应力计测定高陡岩体边坡随开挖过程中的内部卸荷应力变化值，进而以高陡岩体开采边坡单位卸载量的波速响应比为判据，对边坡的稳定性进行实时的评价与分析，进而达到对岩体边坡的稳定性进行动态的评价与预警。针对岩体边坡变形小和突变性特点，依据岩体滑移带波速变化与其稳定性关系建立和确定一种新的岩体边坡开挖稳定性评价参数与方法，以此克服传统方法的局限与不足，这对岩体边坡稳定性评价与防治领域具有重要的理论和应用价值。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明钻孔布置示意图；

图3为本发明钻孔应力计布置剖面示意图。

在图中，1、声波发射钻孔；2、声波接收钻孔；3、边坡易滑破碎带坡面区域；4、边坡坡面；5、基坑开挖截止线；6、开挖基坑；7、基坑开挖深度；8、边坡易滑破碎带区域；9、KSE－Ⅲ钢弦测力仪数据记录装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

三峡某边坡为例高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价，以证明其实际意义与价值。滑坡南北长为190m，东西宽为100～155m，面积约为39.1×104m2，滑体平均厚度为22.5m左右，滑坡体积为124×104m3。滑坡的前缘高程为44m左右，高程为60m左右；滑坡后缘高程为59m左右。

步骤一：高陡岩体边坡开挖易滑破碎带位置的确定

根据《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》，运用RQD方法对边坡岩体质量进行定量评价。对岩体边坡地段自上而下、每10m进行一组采样。把第i个测点钻孔中钻取得岩心中长度l_i＝12cm、15cm......钻孔的深度l₀＝100cm，运用公式(1)求得岩石质量指标RQD的值，计算结果如表1所示。

表1

根据上述表1可求得岩体边坡不同位置的RQD值，统计对比，A₉测点区域取得RQD最小值，因而将A₉钻孔区域确定为岩体边坡的破碎带位置。

步骤二：高陡边坡开挖深度h_i对应的波速的测定

根据步骤一确定出钻孔区域岩体边坡的易滑破碎带的位置，采用YL-PST超声波检测仪，按《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》对岩体边坡易滑破碎带进行钻孔测定波速。

1、边坡开挖前，对边坡整体波速进行测定，采用YL-PST超声波检测仪测定边坡整体的平均初始波速测量结果如表2所示。

表2

则边坡整体波速的平均值V_p0＝4274.55m/s。

2、边坡开挖后，开挖深度为h_i时，钻孔对应的波速平均值记为V_pi，开挖深度为h_i+1时，钻孔对应的波速平均值记为V_pi+1。则钻孔在不同深度所对应的波速平均值如表3所示。

表3

步骤三：高陡边坡初始应力P₀及随开挖深度h_i时应力P_i的确定

在岩体边坡开挖前，在边坡破碎带中心区域布置KSE－Ⅱ－1钻孔应力计，钻孔应力计竖直间距△_h取9m，基坑每层开挖深度取9m，取各应力计的平均值为初始频率值f₀＝1721HZ，C＝3.25×10^-5。边坡开挖前，先对埋设的应力计读数，并计算各应力值，取其平均值为初始应力P₀＝9.18MPa。边坡开挖后，开挖深度为h_i时，钻孔对应的频率值为f_i。则钻孔在不同深度应力计平均值为P_i由公式(2)计算求得，计算结果如表4所示。

表4

步骤四：高陡边坡单位卸载量的波速响应值μ_i的确定

根据步骤(二)、(三)，确定出各参数值，将开挖深度h_i时相对于上一开挖深度h_i-1时的变化量记为将开挖深度h_i时应力P_i相对于上一开挖深度h_i-1应力P_i-1的变化量记为△P_i；将上述波速变化量与应力变化量△P_i的比值定义为单位卸载量的波速响应值μ_i，其值由公式(3)确定,计算结果如表5所示。

表5

由上表计算单位卸载量的波速响应值μ_i，计算结果如表6所示。

表6

步骤五：高陡边坡单位卸载量的波速响应比λ_i的确定

在计算前，观察波速随开挖深度变化幅度可以发现，0～45m深度范围内波速变化不明显或变化幅度不大，说明其内部结构没有发生破坏，表明此时边坡为稳定边坡。进而，分析过程着重从45～60m范围研究边坡失稳。

将单位卸载量的波速响应值μ_i+1与上一开挖深度单位卸载量的波速响应值μ_i的比值确定为单位卸载量的波速响应比λ_i，其值由公式(4)计算结果如表7所示。

表7

由表7可以看出，在开挖至45～54范围内，高陡边坡单位卸载量的波速响应比λ_i突增到14.89，λ_i>1时，即μ_i＞μ_i-1时，此时判定坡体处于破坏状态，应及时发出预警，并立即组织人员撤离。

在边坡开挖过程中，以单位卸载量的波速响应比λ_i的变化情况为依据，对边坡稳定性进行评价。

步骤六：高陡开采边坡稳定性的评价

(1)当岩质边坡在开挖过程中，如果测定的波速不变化或变化幅度不明显，说明其内部结构没有发生破坏，表明此时边坡为稳定边坡。

(2)当岩质边坡在开挖过程中，波速发生变化时且出现以下情况：

①如果λ_i＝1时，即μ_i与μ_i-1变化幅度相同，表明边坡为不稳定边坡。此时应加强对边坡的动态监测频率，并采取在坡体的中前部或舌部打入锚杆或者抗滑桩等措施，提前消除滑坡的危险。

②如果λ_i>1时，即μ_i＞μ_i-1时，此时判定坡体处于破坏状态，应及时发出预警，并立即组织人员撤离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤一，确定高陡边坡开挖易滑破碎带位置，步骤二，测定高陡边坡初始波速及随开挖深度h_i对应的波速步骤三，确定高陡边坡初始应力P₀及随开挖深度h_i时应力P_i，步骤四，确定高陡边坡单位卸载量的波速响应值μ_i，步骤五，确定高陡边坡单位卸载量的波速响应比λ_i，步骤六，评价高陡岩体边坡稳定性。

2.根据权利要求1所述的高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其特征在于，确定高陡边坡开挖易滑破碎带位置的方法如下：根据《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》，运用RQD方法对边坡岩体质量进行定量评价，对岩体边坡地段自上而下、每10m进行一组采样，采用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，并把第i个钻孔中钻取的岩心中长度大于10cm的累计长度记为l_i，把钻孔的深度记为l₀，求得岩石质量指标RQD的值：

经统计对比，将岩体RQD值中最小值的钻孔区域确定为岩体边坡的破碎带位置。

3.根据权利要求1所述的高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其特征在于，测定高陡边坡初始波速及随开挖深度h_i对应的波速的方法如下：沿高陡边坡破碎带横向区域进行跨孔平测透射法测波速，两钻孔布置在破碎带中线两端，采用YL-PST超声波检测仪，根据《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》测定高陡岩体边坡易滑破碎带位置波速，边坡开挖前，对边坡整体波速进行测定，其波速平均值作为初始波速V_p0；边坡开挖深度h_i后，对边坡开挖坡顶至h_i区域进行声波测定，测定其开挖深度为h_i对应的多个波速值，取其平均值为当挖至下一开挖深度h_i+1时，测定从坡顶至h_i+1区域平均波速为以下开挖深度依次类推。

4.根据权利要求1所述的高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其特征在于，确定高陡边坡初始应力P₀及随开挖深度h_i时应力P_i的方法如下：在岩体边坡开挖前，在破碎带中心位置布置KSE－Ⅱ－1钻孔应力计，应力计沿竖直方向等间距△_h(h为基坑深度)布置，布置应力计后，用KSE－Ⅲ钢弦测力仪与各个应力计相连，测得各个应力计对应的频率值f_i，求得应力P_i的值：

式中：C-应力计常数；

f₀-为无荷载时的频率值(其值安装前由室内试验确定)；

f_i-为应力计在有荷载时的频率值；

并采用如下步骤进行应力测定：

1)边坡开挖前，用KSE－Ⅲ钢弦测力仪测定所有应力计的起始频率值f₁，求得各应力计应力值，取其平均值为初始应力P₀；

2)边坡开挖后，从坡顶至开挖深度h_i范围内用KSE－Ⅲ钢弦测力仪测定所有应力计对应的频率值f_i，求得各应力计在开挖深度h_i时的应力值取其平均值为开挖深度h_i时应力P_i；

3)当开挖至下一开挖深度h_i+1时，测定h_i至h_i+1范围内应力计频率值f_i+1并计算其应力值，将其与上一开挖深度h_i对应的应力值取平均值为P_i+1，以下开挖深度按上述步骤依次类推。

5.根据权利要求1所述的高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其特征在于，确定高陡边坡单位卸载量的波速响应值μ_i的方法如下：

1)将开挖深度h_i时相对于上一开挖深度h_i-1时的变化量记为

2)将开挖深度h_i时应力P_i相对于上一开挖深度h_i-1应力P_i-1的变化量记为△P_i；

3)将上述波速变化量△Vp_i与应力变化量△P_i的比值定义为单位卸载量的波速响应值μ_i：

6.根据权利要求1所述的高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其特征在于，确定高陡边坡单位卸载量的波速响应比λ_i方法如下：将单位卸载量的波速响应值μ_i-1与上一开挖深度单位卸载量的波速响应值的比值确定为单位卸载量的波速响应比λ_i：

7.根据权利要求1所述的高陡岩体开采边坡稳定性的声波探测评价方法，其特征在于，高陡岩体边坡稳定性的评价方法如下：

(1)当岩质边坡在开挖过程中，如果测定的波速不变化或变化幅度不明显，说明其内部结构没有发生破坏，表明此时边坡为稳定边坡；

(2)当岩质边坡在开挖过程中，波速发生变化时且出现以下情况：

①如果λ_i＝1时，即μ_i与μ_i-1变化幅度相同，表明边坡为不稳定边坡，此时应加强对边坡的动态监测频率，并采取在坡体的中前部或舌部打入锚杆或者抗滑桩等措施，提前消除滑坡的危险；

②如果λ_i>1时，即μ_i＞μ_i-1时，此时判定坡体处于破坏状态，应及时发出预警，并立即组织人员撤离。