CN110849316A

CN110849316A - 一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法

Info

Publication number: CN110849316A
Application number: CN201911210089.3A
Authority: CN
Inventors: 侯荣彬; 许雷阁; 石艳柯
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-02-28

Abstract

一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，包括以下步骤：a.在硐室围岩断面均匀布置若干测试钻孔，将钻孔弹模仪送入钻孔不同深度，测试获得距围岩表面不同深度岩体的变形模量

；b.测试未损伤岩体变形模量

；c.分析各个钻孔内不同深度的岩体变形模量

和孔深的关系，建立以岩体变形模量为自变量的无量纲指标即损伤系数公式，将每个钻孔内不同深度测得的变形模量代入损伤系数公式，计算获得的岩体损伤系数，损伤系数从0至1的变化，代表着围岩体从原岩区到扰动区，再到松动区的发展，0<D≤0.2为原岩区，0.2≤D<0.8为扰动区，0.8≤D<1为松动区，损伤系数公式为：

。本发明基于原位测试数据，对围岩损伤区实现定量化评价，结果更加符合工程实际。

Description

一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，具体地说涉及一种基于原位测试的围岩损伤区定量评价方法，特别是一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法。

背景技术

随着我国煤炭资源不断开采，采深逐步加大，地应力与围岩体状态之间的矛盾日益突出，无论是巷道开挖过程中围岩内的应力重分布，还是回采对围岩的扰动作用，都会导致损伤区的产生和发育。巷道支护前围岩损伤区的大小直接决定着巷道支护方案的设计，而支护完成后围岩损伤区的大小及岩体损伤程度则关系着巷道的长期稳定性。理论上巷道的支护设计是以围岩损伤区的大小为基础进行的。实际上，目前在巷道支护设计时，由于无法实现对围岩损伤区的定量评价，往往采用工程类比法进行支护设计，若损伤区过大，支护结构不能有效发挥作用，若损伤区过小，会造成锚杆、锚索等资源的浪费。

发明内容

现有的围岩损伤区测定方法，主要有电阻法，钻孔窥视法，超声波测速法，其中以钻孔窥视法应用最为普遍。实践证明，现有的围岩损伤区测定方法各有优缺点，但是由于它们受测试环境或测试原理等的限制，都无法实现对围岩损伤区及损伤状态的定量评价。因而，如何通过现场测试，能够简单、快速的实现围岩损伤区的定量评价是目前亟待解决的关键技术问题。

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，该方法通过定义岩体损伤系数，定量获得岩体损伤状态指标，基于绘图法可直观的对围岩损伤区进行定量化描述，操作方法简单且可靠。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，包括以下步骤：

a.在硐室围岩断面均匀布置若干测试钻孔，将钻孔弹模仪送入钻孔不同深度，测试获得距围岩表面不同深度岩体的变形模量E_i；

b.测试未损伤岩体变形模量E_∞；

c.分析各个钻孔内不同深度的岩体变形模量E_i和孔深的关系，建立以岩体变形模量为自变量的无量纲指标即损伤系数公式，将每个钻孔内不同深度测得的变形模量代入损伤系数公式，计算获得的岩体损伤系数，损伤系数从0至1的变化，代表着围岩体从原岩区到扰动区，再到松动区的发展，0<D≤0.2为原岩区，0.2≤D<0.8为扰动区，0.8≤D<1为松动区，

其中损伤系数公式为：

上述基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，所述步骤a硐室截面为圆形或矩形断面时，距硐室中心为中心呈辐射状布置至少8个钻孔，钻孔垂直硐室表面，钻孔深度大于等于硐室最大断面尺寸的3倍。

上述基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，所述步骤a硐室截面为半圆直墙拱形断面时，上部半圆按硐室中心为中心呈辐射状布置至少5个钻孔，钻孔垂直硐室表面，下部分直墙和底板，底板至少在中部设置1个钻孔，左右两直墙中部至少各设1个钻孔，左右直墙底部和底板之间的底角各设置1个钻孔，底板和直墙上的钻孔均垂直于硐室表面，底角钻孔方向与水平方向呈45°夹角，钻孔深度大于等于硐室最大断面尺寸的3倍。

上述基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，所述步骤弹模仪送入钻孔内每间隔0.5m进行一次岩体变形模量测试。

上述基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，所述步骤c，将每个钻孔内不同深度测得的变形模量带入公式，计算获得岩体损伤系数，之后以钻孔深度为横轴，以岩体损伤系数为纵轴，用作图的方法将各个钻孔内不同损伤区域的边界点连接成线，得到不同损伤区的边界线，从而定量化的绘制岩体损伤系数和钻孔深度之间的关系图，即围岩损伤区分布图，分布图上显示，损伤系数从0至1的变化，代表着围岩体从原岩区到扰动区，再到松动区的发展，0<D≤0.2为原岩区，0.2≤D<0.8为扰动区，0.8≤D<1为松动区。

上述基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，所述步骤c，损伤系数从0至1的变化，代表着围岩体从原岩区到扰动区，再到松动区的发展，0<D≤0.2为原岩区，0.2≤D<0.8为扰动区，0.8≤D<1为松动区。损伤分区的定量化指标，是基于反复的原位试验分析获得。

本发明与现有技术相比具有以下有益技术效果和优点：

本发明基于原位测试数据，对围岩损伤区实现定量化评价，结果更加符合工程实际，并且用无量纲指标衡量岩体损伤程度，避免了环境因素对评价结果的影响。同时，本发明中原位测试部分，可基于已施工的地质钻孔直接测试，大大节约人工成本，技术门槛低，整套评价流程易于操作，此评价方法具有广阔的推广应用前景。

优点：

(1)本发明通过对原位测试数据的分析实现了围岩损伤区的定量评价，其结果更为可靠；

(2)本发明可针对任何环境以及岩性的围岩实现损伤的定量评价，适用范围广；

(3)本发明方案思路清晰，分析操作简便，对技术人员的要求低。

附图说明

图1是本发明中圆形围岩变形模量测试钻孔布置图。

图2是本发明中矩形硐室围岩变形模量测试钻孔布置图

图3是本发明中矩形硐室围岩变形模量测试钻孔布置图

图4是本发明中钻孔内不同深度岩体损伤状态分析方法。

图5是本发明中围岩损伤区定量评价方法。

具体实施方式

如图1至图5所示，一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，包括以下步骤：

a.在硐室围岩断面均匀布置若干测试钻孔1，将钻孔弹模仪送入钻孔不同深度，测试获得距围3岩表面不同深度岩体的变形模量E_i；

b.测试未损伤岩体变形模量E_∞；

c.分析各个钻孔内不同深度的岩体变形模量E_i和孔深的关系，建立以岩体变形模量为自变量的无量纲指标即损伤系数公式，将每个钻孔内不同深度测得的变形模量代入损伤系数公式，计算获得的岩体损伤系数D，损伤系数从0至1的变化，代表着围岩体从原岩区到扰动区，再到松动区的发展，0<D≤0.2为原岩区A，0.2≤D<0.8为扰动区B，0.8≤D<1为松动区C，

其中损伤系数公式为：

如图1和图2所示，所述步骤a硐室2截面为圆形或矩形断面时，距硐室中心为中心呈辐射状布置至少8个钻孔1，钻孔垂直硐室表面，钻孔深度大于等于硐室最大断面尺寸的3倍。

如图3所示，所述步骤a硐室2截面为半圆直墙拱形断面时，上部半圆按硐室中心为中心呈辐射状布置至少5个钻孔1，钻孔垂直硐室表面，下部分直墙和底板，底板至少在中部设置1个钻孔，左右两直墙中部至少各设1个钻孔，左右直墙底部和底板之间的底角各设置1个钻孔，底板和直墙上的钻孔均垂直于硐室表面，底角钻孔方向与水平方向呈45°夹角，钻孔深度大于等于硐室最大断面尺寸的3倍。

不论是圆形、矩形还是半圆直墙拱形断面，所述步骤弹模仪送入钻孔内每间隔0.5m进行一次岩体变形模量测试，以获得沿钻孔不同深度内围岩的变形模量。

如图4和图5所示，所述步骤c，将每个钻孔内不同深度测得的变形模量带入公式，计算获得岩体损伤系数，之后以钻孔深度为横轴，以岩体损伤系数为纵轴，用作图的方法将各个钻孔内不同损伤区域的边界点连接成线，得到不同损伤区的边界线，从而定量化的绘制岩体损伤系数和钻孔深度之间的关系图，即围岩损伤区分布图，分布图上显示，损伤系数从0至1的变化，代表着围岩体从原岩区到扰动区，再到松动区的发展，0<D≤0.2为原岩区，0.2≤D<0.8为扰动区，0.8≤D<1为松动区。

所述的基于各个钻孔内岩体损伤状态的分析结果，定量化的绘制围岩损伤区分布图，包括围岩松动区、扰动区和原岩区，指的是根据对各个钻孔不同深度围岩状态的分析结果，将围岩损伤区分为松动区、扰动区和原岩区，用作图的方法将各个钻孔内不同损伤区域的边界点连接成线，得到不同损伤区的边界线，从而定量得到围岩损伤区范围，如图5所示。

本发明的具体实施方案是在硐室围岩断面内均匀布置若干测试钻孔，将钻孔弹模仪送入钻孔，测试获得距围岩表面不同深度岩体的变形模量；基于对岩石应力—应变曲线的分析，提出以岩体变形模量为自变量的无量纲指标，用以表征岩体损伤程度的大小；汇总分析各个钻孔内不同深度的岩体损伤指标和孔深的关系；基于各个钻孔内岩体损伤状态的分析结果，定量化的绘制围岩损伤区分布图，包括围岩松动区、扰动区和原岩区。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的方法和原理，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

b.测试未损伤岩体变形模量E_∞；

c.分析各个钻孔内不同深度的岩体变形模量E_i和孔深的关系，将每个钻孔内不同深度测得的变形模量代入损伤系数公式，计算获得的岩体损伤系数D，损伤系数从0至1的变化，代表着围岩体从原岩区到扰动区，再到松动区的发展，0<D≤0.2为原岩区，0.2≤D<0.8为扰动区，0.8≤D<1为松动区，

其中损伤系数公式为：

2.根据权利要求1所述的基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，其特征在于：所述步骤a硐室截面为圆形或矩形断面时，距硐室中心为中心呈辐射状布置至少8个钻孔，钻孔垂直硐室表面，钻孔深度大于等于硐室最大断面尺寸的3倍。

3.根据权利要求1所述的基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，其特征在于：所述步骤a硐室截面为半圆直墙拱形断面时，上部半圆按硐室中心为中心呈辐射状布置至少5个钻孔，钻孔垂直硐室表面，下部分直墙和底板，底板至少在中部设置1个钻孔，左右两直墙中部至少各设1个钻孔，左右直墙底部和底板之间的底角各设置1个钻孔，底板和直墙上的钻孔均垂直于硐室表面，底角钻孔方向与水平方向呈45°夹角，钻孔深度大于等于硐室最大断面尺寸的3倍。

4.根据权利要求1所述的基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，其特征在于：所述步骤弹模仪送入钻孔内每间隔0.5m进行一次岩体变形模量测试。

5.根据权利要求1所述的基于围岩变形模量测试的损伤区定量化评价方法，其特征在于：所述步骤c，将每个钻孔内不同深度测得的变形模量带入公式，计算获得岩体损伤系数，之后以钻孔深度为横轴，以岩体损伤系数为纵轴，用作图的方法将各个钻孔内不同损伤区域的边界点连接成线，得到不同损伤区的边界线，从而定量化的绘制岩体损伤系数和钻孔深度之间的关系图，即围岩损伤区分布图，分布图上显示，损伤系数从0至1的变化，代表着围岩体从原岩区到扰动区，再到松动区的发展，0<D≤0.2为原岩区，0.2≤D<0.8为扰动区，0.8≤D<1为松动区。