CN111709129B - 一种类岩堆体裂隙围岩中隧道开挖安全系数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种类岩堆体裂隙围岩中隧道开挖安全系数的确定方法，通过计算和试验获取不连续面的剪切强度τa、不连续面的法向刚度kn和切向刚度ks、正应力σn和剪应力τ等参数，然后根据参数值得到类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力‑应变试验曲线；通过类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力‑应变试验曲线数据，获取F/W～TBdis曲线；最后基于F/W～TBdis曲线确定类岩堆体隧道围岩块体的安全系数。该方法可定量给出类岩堆体隧道围岩中隧道开挖的安全系数，实现类岩堆体隧道开挖的适时支护、反馈及修正，指导安全施工，为类岩堆体隧道的设计和施工提供技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及类岩堆体围岩中隧道开挖稳定性领域，特别涉及一种基于非连续岩体力学的类岩堆体隧道开挖围岩块体安全系数的确定方法。
背景技术
传统均质土体安全系数的确定通常是依据摩尔-库仑强度理论，即土体一点的极限平衡条件，推广到沿任一曲面局部或整体的土体。当土体沿曲面局部或整体的剪应力和抗剪强度的积分值(代数和)相等时，土体整体沿该曲面达到极限状态，由此可给出土体稳定安全系数。传统岩石的稳定性判据是以狄利克雷(Dirichlet)准则为判据，即稳定性取决于岩体势能即自由能驻值的性质，将岩石假定为弹性体系，在其所有几何可能位移状态中，其真实的位移状态使总势能为驻值(可能极大、极小或者始终保持不变)，势能驻值条件等价于平衡条件。然而，平衡状态有稳定的、不稳定的和随遇平衡三种，要判别平衡状态究竟属于哪一种，从严格的数学意义上说，也即是如果要研究其变形状态是否稳定，不仅必须满足总势能的一阶变分为零，即总势能驻值的条件，而且还必须进一步考察总势能的二阶变分情况。当岩体的势能E的一次变分为零，即δE＝0时，岩体的势能有驻值；其二次变分δE>0时，为稳定状态；δE＝0时为随遇平衡；δE<0时为不稳定状态。主要评价方法有刚体极限平衡法、数值法或解析法及可靠性分析法等3种。刚体极限平衡法即将岩体按刚性块体模型进行分析，用以计算滑动岩体的安全系数；数值法或解析法可分析连续介质岩体的弹塑性区域，并计算失稳的安全系数；可靠性分析方法是近代兴起的有效的评定稳定性的方法，其优点在于用失稳概率或可靠度代替过去经常运用的经验安全系数，目前这一方法正在发展中。
然而，类岩堆体隧道围岩成分一般是“岩块+土体”的混合体，自稳能力差，且容易受到地下水的影响，在我国红土高原的云南地区分布极为广泛，属于非连续岩体。类岩堆体围岩中隧道开挖其稳定性主要决定于类岩堆体岩石块体和类岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面，已不能采用上述基于传统介质力学均质土体或均质围岩体的安全系数计算方法确定类岩堆体的安全系数。然而，对类岩堆体中隧道开挖安全系数的分析方法主要是基于连续介质力学方法进行简化计算，例如有限单元法、有限差分法等，但连续介质力学方法较难考虑类岩堆体隧道开挖过程中起主要作用的块体及其二元结构不连续面的控制作用，因此，亟需一种快速、无损的方法确定类岩堆体中隧道开挖围岩块体安全系数的确定方法。此外，国内外已有的岩土体中隧道开挖稳定性方法，尚没有针对类岩堆体中隧道开挖稳定性分析的非连续岩体力学方法，事实上类岩堆体中隧道开挖扰动的非连续变形行为较为显著，且起到控制作用，该因素在类岩堆体隧道围岩块体安全系数中应予以考虑。
针对上述问题，目前国内外尚未提出有效的解决方法和技术方案。
发明内容
本发明的目的在于：建立一种基于非连续岩体力学的类岩堆体裂隙围岩中隧道开挖安全系数确定方法，充分考虑类岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面的特征，建立以类岩堆体中隧道开挖围岩块体-土体二元结构不连续面相互作用为核心的隧道开挖安全系数确定方法，实现类岩堆体中隧道开挖围岩稳定性的快速、无损判别。
为了实现发明目的，采用技术方案如下：
本申请一种类岩堆体裂隙围岩中隧道开挖安全系数确定方法，在将来的转化应用中，主要面对的用户是设计单位和施工单位的技术和管理人员，用于准确了解类岩堆体中隧道开挖围岩块体的稳定性状态，及时指导现场设计人员优化支护设计方案和施工技术人员及时发现失稳块体，对类岩堆体中隧道开挖围岩状态给出合理的评判，形成数据档案并存储，可用于数据积累及动态反馈设计及施工。
一种类岩堆体裂隙围岩中隧道开挖安全系数确定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、获取类岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面的剪切强度τa；
对于类岩堆体不连续面可概化为愈合结构面，其不连续面上的剪切强度τa可按公式一计算；公式一：τa＝σntan(i+φ)，其中σn为不连续面法向应力，φ为内摩擦角，i为类岩堆体膨胀角，参数值可通过试验或经验类比法确定。
S2、获取类岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面的法向刚度kn和切向刚度ks：其中法向刚度kn可通过公式二或公式三获取；对于类岩堆体不连续面的切向刚度ks是一个常数，可根据试验或经验类比法确定；
公式二：其中kni为初始法向刚度，ΔV为不连续面开裂度，Vm为不连续面最大开裂度，式中各参数值可根据试验确定或估算；
公式三：其中Em为类岩堆体的变形模量(由现场或室内试验确定)，E为类岩堆体中块体模量(由现场或室内试验确定)；S为类岩堆体不连续面的间距平均值，可根据地质勘察确定。
S3：获取类岩堆体隧道围岩块体应力状态中的正应力σn和剪应力τ；
所述类岩堆体隧道围岩块体正应力σn可通过公式四确定；剪应力τ可通过公式五计算获取；
公式四：σn＝σni-knΔV；其中σni和ΔV分别为初始法向应力和位移，可通过试验获得；不连续面的法向刚度kn经公式二或公式三计算获取；
公式五：τ＝τi+ksΔU，τi和ΔU分别为初始剪应力和位移，可通过试验获得。
S4：获取F/W～TBdis曲线；其中F为类岩堆体围岩块体所受合力，W为类岩堆体围岩块体自身重力，TBdis为类岩堆体开挖卸荷位移(由试验获取)；
通过现场取样和大尺寸试验获得类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力-应变试验曲线；
根据类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力-应变试验曲线，可以获得类岩堆体的岩块形变曲线、岩块之间土体填充物形变，以及类岩堆体总法向形变，并确定形变较大的类岩堆体块体和可能的失稳块体，进而根据类岩堆体中隧道开挖围岩块体所受合力F(F可根据块体失稳界面的正应力σn和剪应力τ计算获得或专门的测试结果确定),隧道开挖围岩块体自身重力W(自重W可以根据块体的几何特征计算其体积大小即可确定)可得F/W比值，结合试验获得的类岩堆体开挖卸荷位移(TBdis)变化情况即可绘制F/W～TBdis曲线。
S5：基于F/W～TBdis曲线确定类岩堆体隧道围岩的安全系数FS；FS由公式六获取，公式六：FS＝1.0-F/W。
对于类岩堆体中的几何学上稳定块体和失稳块体，若安全系数FS<1，表示运动学上不稳定；若安全系数FS＝1，表示运动学上处于临界状态；若安全系数FS>1，表示运动学上是稳定的。这样就可以确定类岩堆体隧道围岩块体的稳定～不稳定区及其安全系数。
在基于非连续岩体力学的类岩堆体裂隙围岩中隧道开挖安全系数确定方法，其特征在于，用户先计算步骤S1～步骤S3中的参数值，参数值包括不连续面的剪切强度τa、不连续面的法向刚度kn和切向刚度ks、正应力σn和剪应力τ，然后根据参数值得到类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力-应变试验曲线。在步骤S4中，通过类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力-应变试验曲线数据，获取F/W～TBdis曲线；最后通过S5步骤，基于F/W～TBdis曲线确定类岩堆体隧道围岩块体的安全系数。
有益效果：
1、采用非连续岩体力学的方法建立一种判别类岩堆体隧道开挖围岩块体安全系数的方法，该方法简单、直接，便于设计和施工技术人员使用，并可基于动态计算结果对围岩类型、支护系统和开挖技术与方法等进行及时调整。
2、基于非连续岩体力学的方法，对类岩堆体隧道围岩可分段进行起控制作用的关键块体安全系数分析，根据不同区段特点进行重点标记，以便设计和施工全过程进行统计及评估，形成报告，积累经验。
3、本发明通过类岩堆体隧道围岩块体安全系数计算方法的建立，可实现“岩石+土体”类岩堆体的安全系数确定，对类岩堆体隧道安全施工进行有效地指导管理。
附图说明
图1为本发明的类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力-应变试验曲线
图2为本发明的类岩堆体隧道开挖围岩块体稳定～不稳定变化区域图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
S1、获取类岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面的剪切强度τa；
对于类岩堆体不连续面可概化为愈合结构面，其不连续面上的剪切强度τa可按公式一计算；公式一：τa＝σn tan(i+φ)，其中σn为不连续面法向应力，φ为内摩擦角，i为类岩堆体膨胀角，参数值可通过试验或经验类比法确定。
不连续面的剪切强度τa决定着作用于类岩堆体块体表面的剪切强度，很大程度上决定了类岩堆体围岩块体的稳定性，甚至类岩堆体中隧道开挖的稳定性。
S2、获取类岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面的法向刚度kn和切向刚度ks：其中法向刚度kn可通过公式二或公式三获取；对于类岩堆体不连续面的切向刚度ks是一个常数，可根据试验或经验类比法确定；
公式二：其中kni为初始法向刚度，ΔV为不连续面开裂度，Vm为不连续面最大开裂度，式中各参数值可根据试验确定或估算；
进一步的针对类岩堆体围岩块体-土体二元结构，不连续面的法向刚度kn可通过公式三获取，公式三：确定，其中Em为类岩堆体的变形模量(由现场或室内试验确定)，E为类岩堆体中块体模量(由现场或室内试验确定)；S为类岩堆体不连续面的间距平均值，可根据地质勘察确定。
S3：获取类岩堆体隧道围岩块体应力状态中的正应力σn和剪应力τ；
所述类岩堆体隧道围岩块体正应力σn可按泰沙基理论计算，即公式四确定；剪应力τ可通过公式五计算获取；
公式四：σn＝σni-knΔV，其中σni和ΔV分别为初始法向应力和位移，可通过试验获得；不连续面的法向刚度kn经公式二或公式三计算获取；
公式五：τ＝τi+ksΔU，τi和ΔU分别为初始剪应力和位移，可通过试验获得。
S4：获取F/W～TBdis曲线；其中F为类岩堆体围岩块体所受合力，W为类岩堆体围岩块体自身重力，TBdis为类岩堆体开挖卸荷位移(由试验获取)；
通过现场取样和大尺寸试验获得类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力-应变试验曲线(图1)；图1可以通过现场取样或按级配进行曲线进行配置，然后通过大型岩石试验机即可获得。基于该曲线还可以校核类岩堆体围岩-土体二元结构不连续面的刚度，试验中可以连续记录不同应力水平下的类岩堆体块体的弹性形变和土体填充物等的形变，绘制图1中所示的法向应力～法向应变关系曲线，基于该曲线可以确定岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面的法向刚度kn和切向刚度ks，为隧道开挖围岩块体安全系数判别计算提供依据，同时根据图1结果可了解类岩堆体围岩的变形特性、裂缝开裂度等数据信息，形成数据档案，用于类岩堆体隧道围岩安全系数的“计算-反馈-更新”，及时给出类岩堆体隧道开挖围岩块体的动态安全系数。
根据图1，可以获得类岩堆体的岩块形变曲线、岩块之间土体填充物形变，以及类岩堆体总法向形变，并确定形变较大的类岩堆体块体和可能的失稳块体，进而根据类岩堆体中隧道开挖围岩块体所受合力F(F可根据块体失稳界面的正应力σn和剪应力τ计算获得或专门的测试结果确定),及其自身重力W(自重W可以根据块体的几何特征计算其体积大小即可确定)可得F/W比值，结合试验获得的类岩堆体开挖卸荷位移(TBdis)变化情况即可绘制F/W～TBdis曲线(图2)。
S5：基于F/W～TBdis曲线确定类岩堆体隧道围岩的安全系数FS；FS由公式六获取，公式六：FS＝1.0-F/W。
当F/W是正值时，若要保持类岩堆体中块体的稳定则必须施加支护或注浆等加固措施；当F/W是负值时，类岩堆体中块体不稳定因受到了拉力F的作用。此外，对于类岩堆体中的几何学上稳定块体和失稳块体，若安全系数FS<1，表示运动学上不稳定；若安全系数FS＝1，表示运动学上处于临界状态；若安全系数FS>1，表示运动学上是稳定的。这样就可以确定类岩堆体隧道围岩块体的稳定～不稳定区及其安全系数。
在基于非连续岩体力学的类岩堆体隧道围岩块体安全系数计算方法(上述步骤1～步骤5)中，用户先计算步骤S1～步骤S3中的参数值，参数值包括不连续面的剪切强度τa、不连续面的法向刚度kn和切向刚度ks、正应力σn和剪应力τ，然后根据参数值得到图1。在步骤S4中，通过图1数据，获取F/W～TBdis曲线；最后通过S5步骤，基于F/W～TBdis曲线即可确定类岩堆体隧道围岩块体的安全系数；即根据安全系数FS值是否大于1.0即可确定类岩堆体块体的稳定块体和临界稳定块体安全系数变化曲线，以及失稳块体和临界失稳块体的安全系数变化曲线，进而绘制类岩堆体隧道开挖围岩块体稳定～不稳定变化区域图(图2)。根据该变化区域图可以确定类岩堆体隧道开挖围岩块体的安全程度，并通过提出的公式六获得类岩堆体隧道开挖块体的安全系数。
Claims (1)
1.一种类岩堆体裂隙围岩中隧道开挖安全系数确定方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、获取类岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面的剪切强度τa；
对于类岩堆体不连续面可概化为愈合结构面，其不连续面上的剪切强度τa可按公式一计算；公式一：τa＝σntan(i+φ)，其中σn为不连续面法向应力，φ为内摩擦角，i为类岩堆体膨胀角，参数值可通过试验或经验类比法确定；
S2、获取类岩堆体围岩块体-土体二元结构不连续面的法向刚度kn和切向刚度ks：其中法向刚度kn可通过公式二或公式三获取；对于类岩堆体不连续面的切向刚度ks是一个常数，可根据试验或经验类比法确定；
公式二：其中kni为初始法向刚度，ΔV为不连续面开裂度，Vm为不连续面最大开裂度，式中各参数值可根据试验确定或估算；
公式三：其中Em为类岩堆体的变形模量，E为类岩堆体中块体模量；S为类岩堆体不连续面的间距平均值，可根据地质勘察确定；
S3：获取类岩堆体隧道围岩块体应力状态中的正应力σn和剪应力τ；
所述类岩堆体隧道围岩块体正应力σn可通过公式四确定；剪应力τ可通过公式五计算获取；
公式四：σn＝σni-knΔV；其中σni和ΔV分别为初始法向应力和位移，可通过试验获得；不连续面的法向刚度kn经公式二或公式三计算获取；
公式五：τ＝τi+ksΔU，τi和ΔU分别为初始剪应力和位移，可通过试验获得；
S4：获取F/W～TBdis曲线；其中F为类岩堆体围岩块体所受合力，W为类岩堆体围岩块体自身重力，TBdis为类岩堆体开挖卸荷位移；
通过现场取样和大尺寸试验获得类岩堆体隧道围岩大尺寸试样应力-应变试验曲线；可以获得类岩堆体的岩块形变曲线、岩块之间土体填充物形变，以及类岩堆体总法向形变，并确定形变较大的类岩堆体块体和可能的失稳块体，进而根据类岩堆体中隧道开挖围岩块体所受合力F,隧道开挖围岩块体自身重力W可得F/W比值，结合试验获得的类岩堆体开挖卸荷位移变化情况即可绘制F/W～TBdis曲线；
S5：基于F/W～TBdis曲线确定类岩堆体隧道围岩的安全系数FS；FS由公式六获取，公式六：FS＝1.0-F/W；
对于类岩堆体中的几何学上稳定块体和失稳块体，若安全系数FS<1，表示运动学上不稳定；若安全系数FS＝1，表示运动学上处于临界状态；若安全系数FS>1，表示运动学上是稳定的；这样就可以确定类岩堆体隧道围岩块体的稳定～不稳定区及其安全系数。
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