CN115270523B - 一种岩体损伤影响深度预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种岩体损伤影响深度预测方法，本发明从引起岩体损伤的原因入手，考虑岩体损伤一般受到热‑水‑力三方面综合因素的影响，故本发明充分考虑热应力循环对岩体造成的热机械疲劳，水压波动对岩体造成的机械疲劳，卸荷对岩体造成的释能回弹效应。本方法考虑热水力多场耦合作用对岩体损伤的影响，适用于所有多场耦合复杂条件下的岩体损伤影响深度预测；本发明解决了现有岩体损伤影响深度预测方法存在岩体损伤影响深度预测不准确的问题。

Description

一种岩体损伤影响深度预测方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种岩体损伤影响深度预测方法。
背景技术
自然界中的边坡往往面临如河谷下切、冰川下切，人工开挖等情况而造成边坡卸荷的情况，岩体应力重新调整，储存在岩体中的能量释放，岩体应力充分布，往往会造成岩体损伤，但是岩质边坡的破坏往往是多种因素共同作用下长期强度退化的结果，热水力对于岩体损伤的研究已经成为地下隧道工程面临的重大问题，再加上我国西部地区地质条件复杂，大型工程施工过程中往往会出现这种疑难的岩体损伤问题。国内外许多学者虽然对边坡卸荷的发生条件，影响因素，边坡卸荷带的划分依据等进行了大量研究，但对热水力多场耦合作用下的岩体损伤影响深度研究较少，如何合理地预测边坡岩体损伤影响深度，成为了边坡工程的关键。郑达、黄润秋等（2006）提出了用裂隙率、张开裂隙率和“隙宽和”3个量化指标进行卸荷带的划分。孙云志等（2014）将岩体卸荷带划分为强卸荷变形带、弱卸荷变形带以及卸荷应力应变调整带，详细的研究了卸荷带岩体的渗透特性。包含、伍法权等(2020)通过理论分析建立了卸荷裂隙累计张开位移与卸荷应变的关系，提出了一种根据卸荷应变量化卸荷区域范围和损伤程度的新方法。Marc Hugentobler等(2021)针对瑞士大阿莱奇冰川的先退，重点研究地下温度演变和相关的变形，通过研究发现，疲劳损伤和可能变化的冰川荷载时边坡岩体的持续不可逆变形的潜在影响因素。
上述岩体损伤影响深度预测方法，适用于一般卸荷情况下岩体损伤预测。很明显，传统的岩体损伤影响深度预测方法对于多场耦合作用下的岩体损伤难以准确的进行判断，而随着我国大力推动西部地区复杂地质条件的开发，大型工程施工过程中往往会出现这种复杂的岩体损伤问题。在我国西部，多存在热水力多场耦合的地质条件，地下岩体长期受高温和渗流的影响，对于岩体的损伤是不可忽视的重要因素。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种岩体损伤影响深度预测方法解决了现有岩体损伤影响深度预测方法存在岩体损伤影响深度预测不准确的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种岩体损伤影响深度预测方法，包括以下步骤：
S1、根据热循环机械损伤模型，计算热循环机械损伤系数；
S2、根据水循环机械损伤模型，计算水循环机械损伤系数；
S3、根据释能回弹指数模型，计算释能回弹指数；
S4、根据热循环机械损伤系数、水循环机械损伤系数和释能回弹指数，计算岩体损伤影响深度。
进一步地，所述步骤S1中热循环机械损伤模型为：
Figure 743893DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 503776DEST_PATH_IMAGE002
为热循环机械损伤系数，
Figure 752355DEST_PATH_IMAGE003
为岩体温度变换值，
Figure 944302DEST_PATH_IMAGE004
为数据采集过程总的观测时间，
Figure 102882DEST_PATH_IMAGE005
为热膨胀系数，
Figure 190924DEST_PATH_IMAGE006
为岩体导热系数，
Figure 926798DEST_PATH_IMAGE007
为泊松比，
Figure 719174DEST_PATH_IMAGE008
为岩石密度，
Figure 856894DEST_PATH_IMAGE009
为岩体的比热容。
进一步地，所述步骤S2中水循环机械损伤模型为：
Figure 695931DEST_PATH_IMAGE010
Figure 919102DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 249589DEST_PATH_IMAGE012
为水循环机械损伤系数，
Figure 241816DEST_PATH_IMAGE013
为弹性模量，
Figure 15868DEST_PATH_IMAGE004
为数据采集过程总的观测时间，
Figure 726335DEST_PATH_IMAGE014
为岩体孔压变化值，
Figure 594934DEST_PATH_IMAGE015
为降雨影响系数，
Figure 707246DEST_PATH_IMAGE016
为最大降雨强度，
Figure 885155DEST_PATH_IMAGE017
为地质强度指标，
Figure 82918DEST_PATH_IMAGE018
为岩体中的最优结构面的坡度，
Figure 945089DEST_PATH_IMAGE019
为岩体完整性系数，
Figure 911908DEST_PATH_IMAGE020
为降雨持续时间。
进一步地，所述步骤S3中释能回弹指数模型为：
Figure 277030DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 775138DEST_PATH_IMAGE022
为释能回弹指数，
Figure 923223DEST_PATH_IMAGE019
为岩体完整性系数，
Figure 72445DEST_PATH_IMAGE007
为泊松比，
Figure 483834DEST_PATH_IMAGE017
为地质强度指标，
Figure 764512DEST_PATH_IMAGE023
为岩体中的最优结构面间距，
Figure 653970DEST_PATH_IMAGE008
为岩石密度，
Figure 720015DEST_PATH_IMAGE013
为弹性模量，
Figure 302307DEST_PATH_IMAGE024
为重力加速度。
进一步地，所述步骤S4中计算岩体损伤影响深度的公式为：
Figure 571745DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 264894DEST_PATH_IMAGE026
为岩体损伤影响深度，
Figure 919867DEST_PATH_IMAGE002
为热循环机械损伤系数，
Figure 673059DEST_PATH_IMAGE012
为水循环机械损伤系数，
Figure 931258DEST_PATH_IMAGE022
为释能回弹指数。
综上，本发明的有益效果为：
1、本发明从引起岩体损伤的原因入手，考虑岩体损伤一般受到热-水-力三方面综合因素的影响，故本发明充分考虑热应力循环对岩体造成的热机械疲劳，水压波动对岩体造成的机械疲劳，卸荷对岩体造成的释能回弹效应，得到岩体损伤影响深度。
2、本发明考虑热水力多场耦合作用对岩体损伤的影响，适用于所有多场耦合复杂条件下的岩体损伤影响深度预测。
3、本发明用于计算岩体损伤影响深度，从多方面因素考虑影响岩体损伤程度的情况，最后通过热循环机械损伤系数
Figure 428099DEST_PATH_IMAGE002
、水循环机械损伤系数
Figure 203157DEST_PATH_IMAGE027
、释能回弹指数
Figure 861671DEST_PATH_IMAGE022
共同确定岩体损伤影响深度。充分考虑了热水力循环情况和卸荷条件下的释能回弹情况，使得结果更加准确。本发明提供的方法可以为热水力多场耦合条件下的复杂情况的防灾治灾提供技术支持，根据岩体的损伤影响深度对实际的边坡进行相应的治理措施。
附图说明
图1为一种岩体损伤影响深度预测方法的流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实际上引起岩体损伤的应力扰动往往就是热应力，孔隙水压力，以及冰川消退，河谷下切以及人工开挖造成的卸荷影响，考虑到岩体往往是受热应力循环以及水压波动，处于循环受力状态，所以不可避免的会出现机械疲劳损伤，再加上卸载造成岩体自身储能的释放，所以处于热-水-力多场耦合受力状态下的岩体损伤往往是由这三种应力状态造成的。因此，本发明综合热应力循环机械损伤，水循环机械损伤和岩体释能回弹三个方面计算岩体损伤影响深度。
在本实施例中，选取某地质条件复杂，受热水害严重的冰川卸荷边坡，对其岩体损伤影响深度进行初判，该边坡原为冰川覆盖，近年来冰川出现消退，为冰川消退造成的卸荷边坡，野外调查显示，脆韧性剪切带中断层泥较少，但裂缝密度增大，面理密集。它们通常有几分米宽，正常间距为10至20米，受热水力损伤影响明显。可应用于本发明。
现场实际情况，在一年的时间内的温度变化情况为
Figure 27073DEST_PATH_IMAGE028
=8℃，孔压变化情况为
Figure 937392DEST_PATH_IMAGE029
=157.941KPa，最大降雨强度
Figure 35798DEST_PATH_IMAGE030
=2.5mm/h，以及降雨持续时间
Figure 865214DEST_PATH_IMAGE020
=18h，弹性模量
Figure 517912DEST_PATH_IMAGE013
=30GPa，泊松比
Figure 933718DEST_PATH_IMAGE007
=0.2，岩石密度
Figure 89893DEST_PATH_IMAGE008
=2700kg/m3，岩体的比热容
Figure 480423DEST_PATH_IMAGE009
=780Jkg-1K-1，岩体导热系数
Figure 558101DEST_PATH_IMAGE006
=2.9Wm-1K-1，岩体热膨胀系数
Figure 75801DEST_PATH_IMAGE005
=9.5×10-6K-1，岩体完整性系数
Figure 555324DEST_PATH_IMAGE019
=0.6，地质强度指标
Figure 116755DEST_PATH_IMAGE031
=60，岩体中的最优结构面间距
Figure 681729DEST_PATH_IMAGE023
=1m，坡度
Figure 227287DEST_PATH_IMAGE018
=30°。
如图1所示，一种岩体损伤影响深度预测方法，包括以下步骤：
S1、根据热循环机械损伤模型，计算热循环机械损伤系数；
所述步骤S1中热循环机械损伤模型为：
Figure 561316DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 293649DEST_PATH_IMAGE002
为热循环机械损伤系数，
Figure 345918DEST_PATH_IMAGE003
为岩体温度变换值，
Figure 939842DEST_PATH_IMAGE004
为数据采集过程总的观测时间，
Figure 128378DEST_PATH_IMAGE005
为热膨胀系数，
Figure 297191DEST_PATH_IMAGE006
为岩体导热系数，
Figure 836757DEST_PATH_IMAGE007
为泊松比，
Figure 467327DEST_PATH_IMAGE008
为岩石密度，
Figure 775948DEST_PATH_IMAGE009
为岩体的比热容。
将上述采集的实际数据运用于热循环机械损伤模型，计算得到热循环机械损伤系数
Figure 850084DEST_PATH_IMAGE032
。
S2、根据水循环机械损伤模型，计算水循环机械损伤系数；
所述步骤S2中水循环机械损伤模型为：
Figure 611366DEST_PATH_IMAGE010
Figure 812672DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 975800DEST_PATH_IMAGE012
为水循环机械损伤系数，
Figure 220836DEST_PATH_IMAGE013
为弹性模量，
Figure 734994DEST_PATH_IMAGE004
为数据采集过程总的观测时间，
Figure 975876DEST_PATH_IMAGE014
为岩体孔压变化值，
Figure 993511DEST_PATH_IMAGE015
为降雨影响系数，
Figure 675028DEST_PATH_IMAGE016
为最大降雨强度，
Figure 410903DEST_PATH_IMAGE017
为地质强度指标，
Figure 954010DEST_PATH_IMAGE018
为岩体中的最优结构面的坡度，
Figure 826152DEST_PATH_IMAGE019
为岩体完整性系数，
Figure 678570DEST_PATH_IMAGE020
为降雨持续时间。
将上述采集的实际数据运用于水循环机械损伤模型，计算得到降雨影响系数
Figure 901741DEST_PATH_IMAGE033
，进而计算得到水循环机械损伤系数
Figure 481496DEST_PATH_IMAGE034
。
S3、根据释能回弹指数模型，计算释能回弹指数；
步骤S3中释能回弹指数模型为：
Figure 473722DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 497042DEST_PATH_IMAGE022
为释能回弹指数，
Figure 941930DEST_PATH_IMAGE019
为岩体完整性系数，
Figure 826840DEST_PATH_IMAGE007
为泊松比，
Figure 939153DEST_PATH_IMAGE017
为地质强度指标，
Figure 867795DEST_PATH_IMAGE023
为岩体中的最优结构面间距，
Figure 65558DEST_PATH_IMAGE008
为岩石密度，
Figure 990045DEST_PATH_IMAGE013
为弹性模量，
Figure 956864DEST_PATH_IMAGE024
为重力加速度。
将上述采集的实际数据运用于释能回弹指数模型，计算得到释能回弹指数
Figure 56407DEST_PATH_IMAGE035
。
S4、根据热循环机械损伤系数、水循环机械损伤系数和释能回弹指数，计算岩体损伤影响深度。
所述步骤S4中计算岩体损伤影响深度的公式为：
Figure 538204DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 889551DEST_PATH_IMAGE026
为岩体损伤影响深度，
Figure 586242DEST_PATH_IMAGE002
为热循环机械损伤系数，
Figure 997632DEST_PATH_IMAGE012
为水循环机械损伤系数，
Figure 29042DEST_PATH_IMAGE022
为释能回弹指数。
将热循环机械损伤系数
Figure 918501DEST_PATH_IMAGE032
、水循环机械损伤系数
Figure 233813DEST_PATH_IMAGE034
和释能回弹指数
Figure 550525DEST_PATH_IMAGE035
运用于岩体损伤影响深度公式，计算得到岩体损伤影响深度为
Figure 69231DEST_PATH_IMAGE036
。
现场调查数据显示，被测量的表面总位移发生在钻孔以下44m深处，钻孔深度为50m，故现场实际岩体损伤影响深度为94m，通过本发明提供的方法计算得到的岩体损伤影响深度预测值为98.382m，结果准确。
综上所述，本发明从引起岩体损伤的原因入手，考虑岩体损伤一般受到热-水-力三方面综合因素的影响，故本发明充分考虑热应力循环对岩体造成的热机械疲劳，水压波动对岩体造成的机械疲劳，卸荷对岩体造成的释能回弹效应。本方法考虑热水力多场耦合作用对岩体损伤的影响，适用于所有多场耦合复杂条件下的岩体损伤影响深度预测。

Claims (1)

1.一种岩体损伤影响深度预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据热循环机械损伤模型，计算热循环机械损伤系数；
S2、根据水循环机械损伤模型，计算水循环机械损伤系数；
S3、根据释能回弹指数模型，计算释能回弹指数；
S4、根据热循环机械损伤系数、水循环机械损伤系数和释能回弹指数，计算岩体损伤影响深度；
所述步骤S1中热循环机械损伤模型为：
Figure 987135DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 434297DEST_PATH_IMAGE002
为热循环机械损伤系数，
Figure 155128DEST_PATH_IMAGE003
为岩体温度变换值，
Figure 133580DEST_PATH_IMAGE004
为数据采集过程总的观测时间，
Figure 230849DEST_PATH_IMAGE005
为热膨胀系数，
Figure 798096DEST_PATH_IMAGE006
为岩体导热系数，
Figure 689829DEST_PATH_IMAGE007
为泊松比，
Figure 654112DEST_PATH_IMAGE008
为岩石密度，
Figure 555072DEST_PATH_IMAGE009
为岩体的比热容；
所述步骤S2中水循环机械损伤模型为：
Figure 711246DEST_PATH_IMAGE010
Figure 790192DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 726924DEST_PATH_IMAGE012
为水循环机械损伤系数，
Figure 431575DEST_PATH_IMAGE013
为弹性模量，
Figure 957103DEST_PATH_IMAGE004
为数据采集过程总的观测时间，
Figure 456217DEST_PATH_IMAGE014
为岩体孔压变化值，
Figure 614666DEST_PATH_IMAGE015
为降雨影响系数，
Figure 608161DEST_PATH_IMAGE016
为最大降雨强度，
Figure 801245DEST_PATH_IMAGE017
为地质强度指标，
Figure 471261DEST_PATH_IMAGE018
为岩体中的最优结构面的坡度，
Figure 569536DEST_PATH_IMAGE019
为岩体完整性系数，
Figure 350410DEST_PATH_IMAGE020
为降雨持续时间；
所述步骤S3中释能回弹指数模型为：
Figure 663580DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 255229DEST_PATH_IMAGE022
为释能回弹指数，
Figure 857112DEST_PATH_IMAGE019
为岩体完整性系数，
Figure 176098DEST_PATH_IMAGE007
为泊松比，
Figure 547036DEST_PATH_IMAGE017
为地质强度指标，
Figure 808122DEST_PATH_IMAGE023
为岩体中的最优结构面间距，
Figure 631722DEST_PATH_IMAGE008
为岩石密度，
Figure 816715DEST_PATH_IMAGE013
为弹性模量，
Figure 792893DEST_PATH_IMAGE024
为重力加速度；
所述步骤S4中计算岩体损伤影响深度的公式为：
Figure 975612DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 286508DEST_PATH_IMAGE026
为岩体损伤影响深度，
Figure 212876DEST_PATH_IMAGE002
为热循环机械损伤系数，
Figure 542095DEST_PATH_IMAGE012
为水循环机械损伤系数，
Figure 958032DEST_PATH_IMAGE022
为释能回弹指数。
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