CN113435087B - 一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采矿技术领域，特别是分析洞穴围岩局部稳定性的方法，利用有限元模拟软件建立岩体的三维数值模型时，在三维数值模型中设置节理面，对三维数值模型进行模拟洞穴开挖后，计算洞穴围岩处节理面的抗剪安全系数，将抗剪安全系数与预设值进行比较，从而得出洞穴围岩的局部稳定性。本发明以对洞穴围岩的局部结构——节理面分析为切入点，建立包含节理面的岩体三维数值模型，计算出洞穴围岩各个节理面的抗剪安全系数，通过抗剪安全系数的分析，直观了解到洞穴围岩局部部位的稳定性情况，并可对局部失稳处采取相应的加固措施，避免对现场施工人员造成安全隐患，以及防止局部失稳状态的进一步扩展恶化。

Description

一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法
技术领域
本发明涉及采矿技术领域，特别是一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法。
背景技术
现有分析洞穴围岩稳定性的方法包括如下步骤：利用有限元模拟软件建立岩体的三维数值模型；对三维数值模型赋予岩体本构模型，用以模拟岩体内的应力应变情况；对三维数值模型进行模拟洞穴开挖；将洞穴围岩作为整体进行受力分析。采用上述分析方法只能评估洞穴围岩是否会发生整体大面积塌陷、失稳，即只是对洞穴围岩的整体稳定性进行判断，即使整体稳定性满足要求，洞穴围岩局部处也可能出现失稳情况，如洞穴围岩局部发生岩土块脱落，如果不能对洞穴围岩局部稳定性进行有效分析并采取相应加固措施，局部的失稳情况会对现场施工人员造成安全隐患，甚至逐渐扩展成洞穴围岩的整体大面积塌陷、失稳，故亟待找到一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术在分析洞穴围岩稳定性时只能评估洞穴围岩是否会发生整体大面积塌陷、失稳，却分析不了洞穴围岩局部岩体的失稳情况的问题，提供一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法，包括如下步骤：
利用有限元模拟软件建立岩体三维数值模型，对建立完成的岩体三维数值模型进行网格划分；
对三维数值模型赋予岩体本构模型，用以模拟岩体内的应力应变情况；
对赋予岩体本构模型的岩体三维数值模型进行洞穴模拟开挖，利用有限元模拟软件建立岩体三维数值模型时，在岩体三维数值模型中设置节理面；
对岩体三维数值模型进行洞穴模拟开挖后，计算洞穴围岩处各个节理面的抗剪安全系数，将各个节理面抗剪安全系数与预设值进行比较，若某一节理面的抗剪安全系数大于或等于预设值，则该节理面处的洞穴围岩不发生局部失稳；若某一节理面的抗剪安全系数小于预设值，则该节理面的洞穴围岩发生局部失稳。
其中，选择节理面的参数如倾角和倾向对本领域技术人员而言是公知常识，根据现场实际情况勘探出节理面的参数这对本领域技术人员而言是常规技术手段。预设值可以根据实际情况中岩体所处的位置和工况选取，对本领域技术人员而言为公知常识。
本发明在分析洞穴围岩局部稳定性时引入岩体的局部结构——节理面，利用有限元模拟软件建立岩体三维数值模型时，在岩体三维数值模型中设置节理面，并计算出洞穴围岩各个节理面的抗剪安全系数，即可得出洞穴围岩局部处的安全系数。通过抗剪安全系数与预设值的分析，能够明确洞穴围岩不同部位的稳定性情况，并可对局部失稳处采取相应的加固措施，避免对现场施工人员造成安全隐患，以及防止局部失稳状态的进一步扩展恶化。
优选的，对赋予了岩体本构模型的三维数值模型进行洞穴模拟开挖包括步骤：
M1、对岩体三维数值模型设置边界条件，用以模拟岩体周围边界的限制情况；
M2、对岩体三维数值模型设置重力加速度，用以模拟岩体在重力作用下的自然沉降，以得到岩体三维数值模型的待开挖状态；
M3、在岩体三维数值模型的待开挖状态下进行洞穴模拟开挖。
优选的，在步骤M3后清除岩体三维数值模型所产生的位移和时间，以得到岩体三维数值模型的初始计算状态，在该初始计算状态下计算洞穴围岩处各个节理面的抗剪安全系数。
优选的，对岩体三维数值模型赋予的岩体本构模型为摩尔库伦本构模型。
优选的，划分岩体三维数值模型的网格长度为2-4m。
优选的，预设值为1.30。
综上，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果至少是：
1.本发明在分析洞穴围岩局部稳定性时引入岩体的局部结构特征——节理面，通过建立包含节理面的三维数值模型，计算洞穴围岩各个节理面的抗剪安全系数，通过抗剪安全系数与预设值的分析，能够明确洞穴围岩局部部位的稳定性情况，对局部失稳处采取相应的加固措施，避免对现场施工人员造成安全隐患。
附图说明
图1为块体模型示意图；
图2为节理面与块体模型间倾角示意图；
图3为节理面与块体模型间倾向示意图；
图4为实施例1中三组节理面位置关系图；
图5为实施例1中一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法流程图；
图中标记：1-块体模型，2-洞穴模型，3-节理面，31-第一节理面，32-第二节理面，33-第三节理面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1-5所示，为本实施例一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法，包括如下步骤：
利用有限元模拟软件建立岩体三维数值模型，对建立完成的岩体三维数值模型进行网格划分；
对三维数值模型赋予岩体本构模型，用以模拟岩体内的应力应变情况；
对赋予岩体本构模型的岩体三维数值模型进行洞穴模拟开挖；
利用有限元模拟软件建立岩体三维数值模型时，在岩体三维数值模型中设置节理面3；
对岩体三维数值模型进行洞穴模拟开挖后，计算洞穴围岩处各个节理面3的抗剪安全系数，将各个节理面3抗剪安全系数与预设值进行比较，若某一节理面3的抗剪安全系数大于或等于预设值，则该节理面3处的洞穴围岩不发生局部失稳；若某一节理面3的抗剪安全系数小于预设值，则该节理面3的洞穴围岩发生局部失稳。
在本实施例中，建立包含节理面3的岩体三维数值模型包括步骤：
S1、可采用离散元数值模拟软件建立块体模型1，在其它可行的实施例中，也可用岩土工程中广泛采用的其它数值模拟方法如有限元法、有限差分法；
S2、如图1所示，可对块体模型1分为两组，一组为洞穴模型2，另一组为洞穴周围岩体模型，块体模型1和洞穴模型2的尺寸由现场勘探得出，在本实施例中，块体模型1长100m，宽70m，高100m。洞穴模型2的截面形状以及在块体模型1中的位置同样根据现场勘探结果设置，在本实施例中，洞穴模型2截面形状为二分之一椭圆，洞穴模型2位于块体模型1中部位置；
S3、对块体模型1设置节理面3，节理面3的参数包括倾角、倾向，以及节理面3之间的间距，节理面3设置的组数和上述参数由现场勘探结果设置，在本实施例中，设置3组节理面3，第一组倾角12度，倾向65度，间距10m，如图4中所示的第一节理面31；第二组倾角60度，倾向0度，间距10m，如图4中所示的第二节理面32；第三组倾角80度，倾向55度，间距10m，如图4中所示的第三节理面33。如图2所示，倾角α表示的是节理面3与xoy平面的夹角与x轴负方向所交的角，如图3所示，倾向β表示节理面3与xoz平面的夹角与x轴负方向所交的角，设置好的三组节理面3位置关系如图4所示。
S4、对块体模型1划分网格，以使模型能够进行受力分析，网格长度可设置为2-4m，如可选3m。
为了模拟土体真实的应力应变关系，需对建立完成的三维数值模型赋予岩体本构模型，如剑桥模型、修正剑桥模型或摩尔库伦本构模型。在本实施例中，对三维数值模型赋予摩尔库伦本构模型，并对岩体和节理面3赋予相应的强度参数，强度参数包括岩体的密度、体积模量、剪切模量、内摩擦角、粘聚力，节理面3的法向刚度、剪切刚度、内摩擦角、粘聚力。岩体和节理面3相应的强度参数由现场勘探得出，在本实施例中，模型岩体密度为2480kg/m3，体积模量为27.8Gpa，剪切模量为20.8Gpa，内摩擦角为35度、粘聚力为5.8Mpa、抗拉强度为4.6Mpa，节理面3的法向刚度为2.11Gpa，剪切刚度为0.68Gpa，内摩擦角为19.5度，粘聚力为3.7Mpa，抗拉强度为0.163Mpa。
在本实施例中，对赋予了岩体本构模型的三维数值模型进行模拟洞穴开挖包括步骤：
M1、对三维数值模型设置边界条件，以模拟岩体周围边界的限制情况。在本实施例中，三维数值模型边界条件为：模型底部固定，模型四周固定，模型顶部为自由边界，模拟地面状态；
M2、对三维数值模型设置重力加速度，用以模拟岩体内部的自然沉降，以得到岩体三维数值模型的待开挖状态；
M3、在岩体三维数值模型的待开挖状态下进行洞穴模拟开挖。进一步的，在步骤M3后清除岩体三维数值模型所产生的位移和产生所述位移经过的时间，以得到岩体三维数值模型的初始计算状态，在该初始计算状态下计算洞穴围岩处各个节理面3的抗剪安全系数，计算洞穴围岩处各个节理面3的抗剪安全系数的步骤如下：
利用软件遍历洞穴围岩处各个节理面3的面积和对应的切向力，将切向力除以对应的节理面3面积得到剪应力。提取各个节理面3相应的粘聚力和内摩擦角，并根据摩尔库伦本构模型计算出节理面3各个部分的抗剪强度，将抗剪强度除以对应节理面3所承受的剪应力，便得到各个节理面3相对应的抗剪安全系数。理论上抗剪安全系数等于1为极限稳定状态，小于1则会发生破坏，但是实际情况下为了保证安全，抗剪安全系数需大于1，可以根据《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2013中边坡稳定性安全系数的规范标准作为参考,亦可根据设计人员根据实际情况自行设定。
表1：边坡稳定性安全系数规范标准
安全等级 一级边坡 二级边坡 三级边坡
一般工况安全系数 1.35 1.30 1.25
地震工况安全系数 1.15 1.10 1.05
临时工况安全系数 1.25 1.20 1.15
在本实施例中，在抗剪安全系数低于1.30的区域采取注浆加固和增加锚杆预紧力的支护措施。
实施例2
实施例1洞穴的形成过程是通过开挖形成的，实际中洞穴也可如溶洞的形成过程。本实施例与实施例1不同之处在于，洞穴形成的过程不是通过模拟开挖而成，而是通过模拟自然状态下溶洞的形成机制而形成的，其余分析洞穴围岩局部稳定性的方法与实施例1相同。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法，包括如下步骤：利用有限元模拟软件建立岩体三维数值模型，对建立完成的岩体三维数值模型进行网格划分；对三维数值模型赋予岩体本构模型，用以模拟岩体内的应力应变情况；对赋予岩体本构模型的岩体三维数值模型进行洞穴模拟开挖，其特征在于，利用有限元模拟软件建立岩体三维数值模型时，在岩体三维数值模型中设置节理面(3)；对岩体三维数值模型进行洞穴模拟开挖后，计算洞穴围岩处各个节理面(3)的抗剪安全系数，将各个节理面(3)抗剪安全系数与预设值进行比较，若某一节理面(3)的抗剪安全系数大于或等于预设值，则该节理面(3)处的洞穴围岩不发生局部失稳；若某一节理面(3)的抗剪安全系数小于预设值，则该节理面(3)的洞穴围岩发生局部失稳；
对赋予了岩体本构模型的三维数值模型进行洞穴模拟开挖包括步骤：M1、对岩体三维数值模型设置边界条件，用以模拟岩体周围边界的限制情况；M2、对岩体三维数值模型设置重力加速度，用以模拟岩体在重力作用下的自然沉降，以得到岩体三维数值模型的待开挖状态；M3、在岩体三维数值模型的待开挖状态下进行洞穴模拟开挖；
在步骤M3后清除岩体三维数值模型所产生的位移和时间，以得到岩体三维数值模型的初始计算状态，在该初始计算状态下计算洞穴围岩处各个节理面(3)的抗剪安全系数；计算洞穴围岩处各个节理面(3)的抗剪安全系数的步骤如下：利用软件遍历洞穴围岩处各个节理面(3)的面积和对应的切向力，将切向力除以对应的节理面(3)面积得到剪应力，提取各个节理面(3)相应的粘聚力和内摩擦角，并根据摩尔库伦本构模型计算出节理面(3)各个部分的抗剪强度，将抗剪强度除以对应节理面(3)所承受的剪应力，便得到各个节理面(3)相对应的抗剪安全系数。
2.根据权利要求1所述的一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法，其特征在于，对岩体三维数值模型赋予的岩体本构模型为摩尔库伦本构模型。
3.根据权利要求1所述的一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法，其特征在于，划分岩体三维数值模型的网格长度为2-4m。
4.根据权利要求1所述的一种分析洞穴围岩局部稳定性的方法，其特征在于，预设值为1.30。
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