CN110823729B - 一种库区涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价方法 - Google Patents

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Abstract

一种库区涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价方法包括以下步骤：取危岩体位于劣化带区域的岩石试样，通过室内干湿循环试验，得到不同干湿循环次数下岩体的全应力应变曲线；根据涉水厚层危岩体的力学简化模型，构建水位波动作用下岩体的统计损伤本构模型；随着水位波动次数的增加，迭代损伤变量，得到危岩体劣化带区域基座岩体的有效应力；计算危岩体的稳定系数并预测危岩体演化趋势。引入损伤累积和有效应力的概念体现了干湿循环作用下厚层危岩体的动态演化过程。在库区涉水厚层危岩体的稳定计算过程中，考虑了劣化带岩体的损伤积累以及宏观强度的降低，使得计算结果更加合理。

Description

一种库区涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价方法
技术领域
本发明涉及一种库区涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价方法，具体为涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价技术领域。
背景技术
岩体崩塌是一种常见的山区地质灾害，中国三分之二以上的国土面积为山区，是世界上崩塌灾害最严重的国家之一。在众多崩塌灾害中，厚层危岩体分布区域广、发生频率高、突发性强、破坏范围大，是一类典型的致灾危岩体。对于库岸涉水厚层危岩体，除崩塌所带来的直接威胁以外，其引发的涌浪次生灾害也会导致重大人员伤亡和财产损失。
由于库区水位的周期性涨落，在库岸斜坡的相应区域形成了具有一定高度的劣化带。库岸涉水厚层危岩体的基座部分位于劣化带区域，该区域长期处于复杂的水-应力耦合作用下，以可见的速度持续劣化，该劣化趋势极大的推动了危岩体整体的失稳进程。另外，与未涉水的厚层危岩体相比，涉水危岩体的基座部分的损伤演化过程更为复杂多变，水位变动作用下引发劣化带区域岩体强度的降低的同时，干湿循环的力学环境转换加速了劣化带区域的损伤累积。岩体强度的降低和损伤的累积二者互相促进，最终会导致基座部分的崩溃以及危岩体的失稳。
目前对于厚层危岩体崩塌的计算方法方面，一般是将危岩体作为一个整体进行分析，并基于静力学模型从宏观强度方面对危岩体的稳定性进行评价，不考虑危岩体的差异性风化状态及时间效应下的损伤累积。对于此类库区涉水厚层危岩体的评价，考虑水位波动作用下劣化带损伤演化的安全系数尚无科学合理的计算方法。
现有技术的缺点：(1)目前尚无考虑水位波动作用下劣化带区域岩体强度降低及损伤累积的库区涉水厚层危岩体的评价方法；(2)在评价库区涉水厚层危岩体稳定性时，忽略水位波动过程中所引发的损伤累积，所得的计算结果与实际不符。
发明内容
本发明的目的在于提供一种库区涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价方法，在库区涉水厚层危岩体的安全系数计算中考虑水位波动作用下劣化带区域基座岩体的强度降低及损伤累积，从而使得库区涉水厚层危岩体的评价更符合实际，非常适于实用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种库区涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价方法包含以下步骤：步骤一、取危岩体位于劣化带区域的岩石试样，通过室内干湿循环试验，得到不同干湿循环次数下岩体的全应力应变曲线；
步骤二、根据涉水厚层危岩体的力学简化模型，构建水位波动作用下岩体的统计损伤本构模型；
步骤三、随着水位波动次数的增加，迭代损伤变量，得到危岩体劣化带区域基座岩体的有效应力；
步骤四、计算危岩体的稳定系数并预测危岩体演化趋势。
进一步优选，所述的步骤二中：随着水位波动次数的增加，迭代损伤变量，得到不同水位波动次数下的有效应力，进而计算得到危岩体的安全系数及演化趋势；由于考虑了水位波动作用下劣化带基座岩体的损伤积累以及宏观强度的降低，使计算结果更加合理。
进一步优选，所述的步骤四中计算危岩体的稳定系数的原理为：
在典型的库区水位升降过程中，假定劣化带区域软弱基座所在高程为H2-H1，库区实时水位为h(t)，根据室内干湿循环试验及概率统计损伤本构模型，可得到第n个水文周期下的劣化带岩体的损伤本构模型，其中干燥状态下(h(t)≤H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure BDA0002274641310000031
饱和状态下(h(t)≥H2)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure BDA0002274641310000032
水位上升时(H2≥h(t)≥H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure BDA0002274641310000033
水位下降时(H2≥h(t)≥H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure BDA0002274641310000041
式中，σ1(n)为应力；D(n)为损伤变量；E(n)为弹性模量；ε1(n)为应变；ε1c(n)为峰值应变；σ1c(n)为峰值应力；F0(n)和mn为损伤本构参数；作为右上角角标的d、s、u、f分别为干燥状态、饱和状态、水位上升及水位下降的标识，上式所涉及参数均可由室内干湿循环作用下全应力-应变曲线得到。
将水位波动作用下岩体的损伤累积进行量化如下：
Figure BDA0002274641310000042
Figure BDA0002274641310000043
式中，σE(n-1)和σE(n)分别为第n-1次和第n次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力，其中n≥1，且σE(0)为危岩体自重；
Figure BDA0002274641310000044
为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力所对应的有效应变(此时为饱和状态)；
Figure BDA0002274641310000045
为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的弹性模量(此时为饱和状态)；DE(n-1)为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的有效损伤变量；
Figure BDA0002274641310000046
为第n次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力所对应的有效应变(此时为干燥状态)；
Figure BDA0002274641310000047
为第n次水位周期涨落后危岩体基座的弹性模量(此时为干燥状态)；
考虑基座岩体损伤及周期涨落后，危岩体稳定性的定量评价参数如下：
Figure BDA0002274641310000048
式中，Fs为考虑干湿循环作用下岩体强度降低及损伤演化的稳定系数；σc(n)为第n次水位周期涨落后劣化带的峰值应力；σE(n)为第n次水位周期涨落后劣化带的有效应力。
本发明的有益效果为：引入损伤累积和有效应力的概念体现了干湿循环作用下厚层危岩体的动态演化过程。在库区涉水厚层危岩体的稳定计算过程中，考虑了劣化带岩体的损伤积累以及宏观强度的降低，使得计算结果更加合理。
附图说明
图1为本发明的步骤结构示意图；
图2为本发明实施例中室内干湿循环试验全应力-应变曲线示意图；
图3为本发明中时间水位周期升降图；
图4为本发明的库区水位波动示意图；
图5为本发明的库区水位波动与损伤放大系数结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：如图1所示，一种库区涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价方法，本发明的实施步骤是：步骤一、取危岩体位于劣化带区域的岩石试样，通过室内干湿循环试验，得到不同干湿循环次数下岩体的全应力应变曲线(如图2)；
步骤二、根据涉水厚层危岩体的力学简化模型，构建水位波动作用下岩体的统计损伤本构模型；(水位波动图如图4所示)
步骤三、随着水位波动次数的增加，迭代损伤变量，得到危岩体劣化带区域基座岩体的有效应力；
步骤四、计算危岩体的稳定系数并预测危岩体演化趋势。
具体为：引入损伤累积和有效应力的概念体现水位波动作用下厚层危岩体的演化过程。损伤累积及有效应力与水位波动作用下劣化带岩体的力学性质有关。根据涉水厚层危岩体的力学简化模型，构建水位波动作用下岩体的统计损伤本构模型，将水位波动过程中的损伤变量定量化；随着水位波动次数的增加，迭代损伤变量，得到危岩体位于劣化带区域的基座岩体有效应力；根据有效应力，计算危岩体的稳定系数并预测危岩体演化趋势。在库区涉水厚层危岩体的稳定计算过程中，由于考虑了劣化带区域岩体的损伤累积以及宏观强度的降低，使得计算结果更加合理。
本发明库区涉水厚层危岩体的稳定评价的计算原理：
在典型的库区水位升降过程中，假定劣化带区域软弱基座所在高程为H2-H1，库区实时水位为h(t)，根据室内干湿循环试验及概率统计损伤本构模型，可得到第n个水文周期下的劣化带岩体的损伤本构模型，其中时间水位周期升降图如图3所示，其中干燥状态下(h(t)≤H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure BDA0002274641310000071
饱和状态下(h(t)≥H2)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure BDA0002274641310000072
水位上升时(H2≥h(t)≥H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure BDA0002274641310000073
水位下降时(H2≥h(t)≥H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure BDA0002274641310000074
式中，σ1(n)为应力；D(n)为损伤变量；E(n)为弹性模量；ε1(n)为应变；ε1c(n)为峰值应变；σ1c(n)为峰值应力；F0(n)和mn为损伤本构参数；作为右上角角标的d、s、u、f分别为干燥状态、饱和状态、水位上升及水位下降的标识，上式所涉及参数均可由室内干湿循环作用下全应力-应变曲线得到；
将水位波动作用下岩体的损伤累积如图5所示，进行量化如下：
Figure BDA0002274641310000075
Figure BDA0002274641310000081
式中，σE(n-1)和σE(n)分别为第n-1次和第n次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力，其中n≥1，且σE(0)为危岩体自重；
Figure BDA0002274641310000082
为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力所对应的有效应变(此时为饱和状态)；
Figure BDA0002274641310000083
为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的弹性模量(此时为饱和状态)；DE(n-1)为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的有效损伤变量；
Figure BDA0002274641310000084
为第n次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力所对应的有效应变(此时为干燥状态)；
Figure BDA0002274641310000085
为第n次水位周期涨落后危岩体基座的弹性模量(此时为干燥状态)；
考虑基座岩体损伤及周期涨落后，危岩体稳定性的定量评价参数如下：
Figure BDA0002274641310000086
式中，Fs为考虑干湿循环作用下岩体强度降低及损伤演化的稳定系数；σc(n)为第n次水位周期涨落后劣化带的峰值应力；σE(n)为第n次水位周期涨落后劣化带的有效应力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种库区涉水厚层危岩体溃屈失稳的评价方法，其特征在于：具体评价方法：包括以下步骤：步骤一、取危岩体位于劣化带区域的岩石试样，通过室内干湿循环试验，得到不同干湿循环次数下岩体的全应力应变曲线；
步骤二、根据涉水厚层危岩体的力学简化模型，构建水位波动作用下岩体的统计损伤本构模型；
步骤三、随着水位波动次数的增加，迭代损伤变量，得到危岩体劣化带区域基座岩体的有效应力；
步骤四、计算危岩体的稳定系数并预测危岩体演化趋势；
所述的步骤四中计算危岩体的稳定系数的方法为：
在典型的库区水位升降过程中，假定劣化带区域软弱基座所在高程为H2-H1，库区实时水位为h(t)，根据室内干湿循环试验及概率统计损伤本构模型，得到第n个水文周期下的劣化带岩体的损伤本构模型，其中干燥状态下(h(t)≤H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure FDA0002769509870000011
饱和状态下(h(t)≥H2)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure FDA0002769509870000021
水位上升时(H2≥h(t)≥H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure FDA0002769509870000022
水位下降时(H2≥h(t)≥H1)的干湿循环损伤本构模型为：
Figure FDA0002769509870000023
式中，σ1(n)为应力；D(n)为损伤变量；E(n)为弹性模量；ε1(n)为应变；ε1c(n)为峰值应变；σ1c(n)为峰值应力；F0(n)和mn为损伤本构参数；作为右上角角标的d、s、u、f分别为干燥状态、饱和状态、水位上升及水位下降的标识；上式所涉及参数均由室内干湿循环作用下全应力-应变曲线得到；
将水位波动作用下岩体的损伤累积进行量化如下：
Figure FDA0002769509870000024
Figure FDA0002769509870000025
式中，σE(n-1)和σE(n)分别为第n-1次和第n次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力，其中n≥1，且σE(0)为危岩体自重；
Figure FDA0002769509870000026
为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力所对应的有效应变，此时为饱和状态；
Figure FDA0002769509870000027
为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的弹性模量，此时为饱和状态；DE(n-1)为第n-1次水位周期涨落后危岩体基座的有效损伤变量；
Figure FDA0002769509870000031
为第n次水位周期涨落后危岩体基座的有效应力所对应的有效应变，此时为干燥状态；
Figure FDA0002769509870000032
为第n次水位周期涨落后危岩体基座的弹性模量，此时为干燥状态；
考虑基座岩体损伤及周期涨落后，危岩体稳定性的定量评价参数如下：
Figure FDA0002769509870000033
式中，Fs为考虑干湿循环作用下岩体强度降低及损伤演化的稳定系数；σc(n)为第n次水位周期涨落后劣化带的峰值应力；σE(n)为第n次水位周期涨落后劣化带的有效应力。
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