CN111476404B - 一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法 - Google Patents

Abstract

一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法，对寒区岩土工程建设提供危岩体变形评判准则，保证基础工程全寿命周期使用的安全性。包括如下步骤：①构建冻融时效损伤变量多元函数；②结合冻融时效损伤变量多元函数，构建冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程；③对现场软岩进行标准规程采样，记录岩石试样的应变随应力及时间的变化值；④应变时间曲线与本构方程进行非线性拟合，既而确定方程中的各力学参数；⑤岩石力学参数转化为岩体力学参数；⑥通过室内外冻融循环等效方程确定等效冻融循环次数；⑦实测现场岩体应力场空间分布规律及位移增量；⑧预测该岩体在未来t_f时刻所对应的应变值。

Description

一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法

发明名称

本明涉及工程技术领域，特别涉及一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法。

技术领域

一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法

背景技术

软岩是指在一定条件下具有明显塑性变形特征的岩体，以泥岩、页岩及粉砂岩等为主，其主要特征为强度低、孔隙度大、颗粒胶结性差、受风化作用显著、节理面发育及内含大量膨胀黏土矿物，在地壳表面以沉积岩、火成岩或变质岩的形式大量赋存。软岩的特殊性质使其对外界作用的敏感性较硬岩更高，就目前我国对西部地区进行的基础设施建设，面临了大量的寒区冻融岩体，其中以软岩为主受冻融作用较为显著，需以此作为载力体，其时效变形机制的研究及全寿命变形量预测就显得尤为重要。在实际工程中，软岩所承受的外界作用不是单一的循环幅值叠加，而是多场耦合条件下的复合结果，故寒区软岩时效劣化特征就应为冻涨、溶解、长期受荷等叠加作用下的直观反映，首先软岩受冻融损伤显著，具体表现为内部微观颗粒(如大量赋存的膨胀黏土矿物)对冻融作用的敏感性较强，连续的冻融疲劳加卸载破坏了岩体的原生结构，或扩展了岩体的微观缺陷，宏观上岩体的力学性能弱化，其次现实中软岩长期处在一定的应力场条件下，在低于屈服强度的条件下产生以弹性为主的变形后趋于稳定，在高于屈服强度条件下产生以塑性为主的变形后破坏，综合考虑在冻融时效损伤耦合作用下软岩的变形特征及量化反映对于寒区工程建设就具有指导性意义。

近年来国内外学者在试验层面及损伤理论对寒区冻融软岩变形劣化机制进行了许多研究，但对于实际寒区工程中运用的准则及方法较少且不全面，且多数仅限于考虑冻融后软岩瞬时力学行为，而现实中软岩在外荷载作用下经历长期变形到破坏的现象更为广泛；同时，对于构建软岩宏观损伤力学本构模型的方法较少，多数也仅为软岩的常规力学模型，如申请号201510387574.3《一种适用于加卸载全过程的软岩蠕变本构模型的建立方法》通过引入Kelvin体与弹簧元件构建了描述软岩流变力学特征的本构模型，该模型可定量分析出软岩衰减蠕变及卸载后含残余变形的本构关系，但由于模型的构建过程中没有考虑岩石流变的时效受荷损伤特性，其参数也为定常性，使得在一定条件下该模型具有局限性，基于此，在考虑流变的时效损伤同时引入外界损伤因子(如冻融损伤)，岩石长期变形为冻融时效损伤耦合条件下的综合体现，且将模型参数转换为岩体力学参数使其更能接近于现场损伤岩体的变形特征，以此作为变形预测指标更为可靠。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种冻融损伤软岩长期变形的预测方法，对寒区岩土工程建设提供危岩体变形评判准则，保证基础工程全寿命周期使用的安全性。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

本发明的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，包括如下步骤：

①构建冻融时效损伤变量多元函数，包含冻融损伤与时效性疲劳损伤，其中冻融损伤以随冻融循环次数变化的非定常性软岩力学参数来量化，而时效性损伤以统计损伤随机分布函数来定义其长期受荷损伤累积效应，具体表达为：

其中，D(T)为冻融损伤变量，P(T)为冻融循环次数为T时的宏观力学参数，P₀为冻融循环次数为0时的宏观力学参数，D(t)为时效性损伤变量，w(t)为损伤密度函数，t为时间，θ与λ为长期受荷损伤参数，e为自然常数；

②结合冻融时效损伤变量多元函数，构建冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程，即：

式中，ε为总变形位移；σ为总应力；E_M、E_K为弹性模量；η_K、η_M为黏滞系数，D_E(T)为弹性冻融损伤变量，D_η(T)为黏性冻融损伤变量；

③对现场软岩进行标准规程采样，将完整性较好且声速波动较小的岩样放入室内进行冻融循环试验及不同冻融循环后的三轴蠕变试验，并记录岩石试样的应变随应力及时间的变化值；

④将步骤③试验所得出的应变时间曲线与步骤②中的本构方程进行非线性拟合，既而确定方程中的各力学参数；

⑤将步骤④确定的岩石力学参数转化为岩体力学参数，基于岩体的结构面、风化程度与水文地质条件来定义转化函数，确定出来的包含岩体的应力、弹性模量与黏滞系数，具体为：

式中，σ_m为岩体应力；E_ck、cm为岩体弹性模量；η_ck、cm为岩体黏滞系数；m_i为完整岩石常数；k值为岩体结构面系数；d为扰动系数；f(m_i,k,d)、g(k,d)与h(k)岩体质量综合评价函数，具体为：

⑥通过室内外冻融循环等效方程确定等效冻融循环次数，等效方程为：

其中，T_e为实验室等效冻融循环次数；T_F为实验室冻融循环破坏寿命；T_i为现场单次气候特征变化的循环加载次数；T_Fi为现场单次气候特征变化的循环加载对应的疲劳寿命；

⑦实测现场岩体应力场空间分布规律及位移增量，确定岩体初始应力及应变率，通过对步骤2冻融时效损伤耦合本构方程求关于时间的一阶偏导与实测位移增量进行误差拟合，得出现状岩体历史变形时长，即：

⑧预测该岩体在未来t_f时刻所对应的应变值，将步骤⑤确定的现场岩体力学参数、步骤⑥确定的等效冻融循环次数及步骤⑦实测的初始应力带入步骤②中的本构方程构建现场岩体目标变形函数ε(t)，线性叠加历史变形时长t_m及预测变形时长t_f代入ε(t)，ε(t_m+t_f)即为现场岩体在未来t_f时刻的变形量。

本发明的有益效果是，力学模型的构建考虑了寒区岩体冻融时效损伤耦合效通过一系列等效方程将力学本构运用于计算预测寒区危岩体变形，对寒区岩土工程建设提供危岩体变形评判准则，可有效保证基础工程全寿命周期使用的安全性。

附图说明

本说明书包括如下五幅附图：

图1为流程图；

图2为损伤变量拟合图；

图3a、图3b为力学模型拟合图；

图4为现场实测位移数据图；

图5为预测岩体变形时间曲线图。

具体实施方式

下面结合具体工程实例对本发明进行更为清楚且全面的阐述。

以四川省某国道K14+250沿线冻灾区边坡危岩体变形预测为例，选取当地三叠系页岩进行室内试验及力学模型建立，按如下步骤进行：

(1)取样：取完整度较好的岩体按照相关规定制成高100mm直径50mm的岩石圆柱体，并通过声波仪测定每组试样的声速，选取声速相差不大的岩样进行试验；

(2)冻融循环试验：将试样放入全自动冻融测试仪内进行冻融循环试验，根据当地气象资料确定冻融温差-10℃～30℃，冻结时长6h，溶解时长6h，冻融循环次数以0、15、30及45次为基准；

(3)冻融后三轴流变试验：将经历不同冻融循环次数后的岩样放入三轴流变试验仪内进行三轴蠕变试验，围压σ₂＝σ₃选取0、5及10MPa，轴向应力σ₁以该岩石强度的百分七十五进行分级加载，试验过程中记录每岩样应变随应力与时间的变化值；

(4)将构建的冻融时效损伤本构方程与试验实测数据进行最小二乘法拟合，确定模型弹性模量、粘滞系数、冻融损伤特征变量及长期受荷时效损伤参数，拟合图见附图2，拟合参数如下：

(5)根据现场岩体质量等级、表面风化与结构面发育程度等综合工程地质特征指标对岩石力学参数进行折减，使其过渡为岩体力学参数，转化后的参数如下所示：

对上述冻融时效损伤力学模型参数进行非线性拟合(见图3)，构建自变量为冻融循环次数的弹性及黏性损伤变量函数，并引入室内外冻融循环等效方程确定等效冻融循环次数T，将T带入损伤变量函数确定D_E(T)与D_η(T)；

(6)现场试验工作需确定岩体所处应力场大小及岩体所经历的历史变形时长，进而可得出寒区危岩体的长期变形方程，首先应力场大小根据现场应力传感器进行实测，其次历史变形时长求解需通过现场应变传感器记录岩体微变形量ΔεΔε₁、Δε₂、Δε₃、…Δε_n(见附图4)，并对上述所推导的本构方程求关于时间的一阶偏导

建立起等效时差函数

在收集n个数据的基础上对等效时差函数求关于实测位移量的离散型方差，并求其极小值s_m，极值对应的自变量t_m即为历史变形时；

将冻融时效损伤力学模型参数包括E、η、λ、θ、D(T)与σ带入冻融时效损伤力学本构方程建立危岩体长期变形方程，函数图见5，具体方程如下：

ε(t)＝0.0234+(1-e^-1.323t)×0.59812+1.3756×t×e^0.521t

(7)量化该路段危岩体在其使用寿命期间的变形演化特征，对此进行风险性评估，取t_f为道路服务年限，将t_f+t_m带入上述方程求解最终变形量，从图5可以看出，该危岩体的变形量在141.3mm，在服务年限后段其失稳概率较高，属于先期缓慢发育损伤累计到后期变形突增型的岩体，需对此进行相应的支护措施。

Claims (5)

1.一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，包括如下步骤：

①构建冻融时效损伤变量多元函数，包含冻融损伤与时效性疲劳损伤，其中冻融损伤以随冻融循环次数变化的非定常性软岩力学参数来量化，而时效性损伤以统计损伤随机分布函数来定义其长期受荷损伤累积效应，具体表达为：

其中，D(T)为冻融损伤变量，P(T)为冻融循环次数为T时的宏观力学参数，P₀为冻融循环次数为0时的宏观力学参数，D(t)为时效性损伤变量，w(t)为损伤密度函数，t为时间，θ与λ为长期受荷损伤参数，e为自然常数；

②结合冻融时效损伤变量多元函数，构建冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程，即：

式中，ε为总变形位移；σ为总应力；E_M、E_K为弹性模量；η_K、η_M为黏滞系数，D_E(T)为弹性冻融损伤变量，D_η(T)为黏性冻融损伤变量；

③对现场软岩进行标准规程采样，将完整性较好且声速波动较小的岩样放入室内进行冻融循环试验及不同冻融循环后的三轴蠕变试验，并记录岩石试样的应变随应力及时间的变化值；

④将步骤③试验所得出的应变时间曲线与步骤②中的本构方程进行非线性拟合，既而确定方程中的各力学参数；

⑤将步骤④确定的岩石力学参数转化为岩体力学参数，基于岩体的结构面、风化程度与水文地质条件来定义转化函数，确定出来的包含岩体的应力、弹性模量与黏滞系数，具体为：

式中，σ_m为岩体应力；E_ck、cm为岩体弹性模量；η_ck、cm为岩体黏滞系数；m_i为完整岩石常数；k值为岩体结构面系数；d为扰动系数；f(m_i,k,d)、g(k,d)与h(k)岩体质量综合评价函数，具体为：

⑥通过室内外冻融循环等效方程确定等效冻融循环次数，等效方程为：

其中，T_e为实验室等效冻融循环次数；T_F为实验室冻融循环破坏寿命；T_i为现场单次气候特征变化的循环加载次数；T_Fi为现场单次气候特征变化的循环加载对应的疲劳寿命；

⑦实测现场岩体应力场空间分布规律及位移增量，确定岩体初始应力及应变率，通过对步骤2冻融时效损伤耦合本构方程求关于时间的一阶偏导与实测位移增量进行误差拟合，得出现状岩体历史变形时长，即：

⑧预测该岩体在未来t_f时刻所对应的应变值，将步骤⑤确定的现场岩体力学参数、步骤⑥确定的等效冻融循环次数及步骤⑦实测的初始应力带入步骤②中的本构方程构建现场岩体目标变形函数ε(t)，线性叠加历史变形时长t_m及预测变形时长tf代入ε(t)，ε(t_m+t_f)即为现场岩体在未来t_f时刻的变形量。

2.如权利要求1所述的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，其特征是：所述步骤②中的冻融时效损伤耦合蠕变力学本构方程为岩石单向应力条件下的表达式，其三向应力表达式为：

式中，e_ij为偏应变张，S_ij为偏应力张量，G_M与G_K为剪切模量，σ₁、σ₂与σ₃为主向空间第一、二和三主应力，K为体积模量，ε_s为第一主应变；

3.如权利要求1所述的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，其特征是：所述步骤①中冻融循环试验要求目标试样冻融循环温差与时长应与现场气象资料一致，偏差不高于1℃与20min；

4.如权利要求1所述的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，其特征在于：所述步骤①中冻融循环后软岩三轴蠕变试验围压选取应与现场实测地应力场分布状况一致，偏差不大于0.1MPa；

5.如权利要求1所述的一种冻融损伤软性岩体长期变形的预测方法，其特征在于：所述步骤⑦中基于实测位移增量与理论应变率进行拟合求变形时长的具体实施步骤如下：

Ⅰ.根据现场位移传感器记录危岩体变形位移增量Δε₁、Δε₂、Δε₃、…、Δε_n；

Ⅱ.对上述所推导的本构方程求关于时间的一阶偏导

并建立等效时差函数

Ⅲ.在收集n个数据的基础上对等效时差函数求关于实测位移量的离散型方差，并求其极小值s_m，极值对应的自变量t_m即为变形记录起始时。

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