CN116305462A - 一种考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek‑Brown准则参数确定方法。本发明通过评估开挖扰动区爆破扰动水平确定爆破扰动因子，通过开展开挖扰动区岩石室内试验，建立富水扰动因子与岩石含水状态的联系，再将上述两种效应复合得到新的扰动因子，进而可通过理论计算直接获得不同爆破与富水扰动水平共同作用下的岩石Hoek‑Brown准则参数。本发明可以较好地用于预测隧道开挖面富水后围岩的变形，为评估后续施工风险提供参考。
Description
技术领域
本发明属于岩石力学与工程技术领域，具体涉及一种考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数确定方法。
背景技术
在隧道爆破开挖过程中，爆炸应力波和开挖卸载会不可避免地导致隧道开挖面附近受到扰动，形成扰动区。在开挖扰动区内的岩石力学性能会发生劣化，进而影响到隧道围岩的稳定性；若此时隧道处于富水地层，情况会更为复杂。爆破产生的裂隙易使此类隧道开挖扰动区与水系贯通，导致开挖面围岩含水状态改变。当开挖面逐步富水时，水-岩相互作用会进一步削弱岩石的力学性能，增加施工风险。因此，获得爆破与富水扰动影响区域可靠的岩石力学参数，对涉水隧道围岩稳定性评价和支护设计、施工具有十分重要的意义。
在获取岩石力学参数的诸多方法中，最直接、最准确的方法是进行大型现场原位试验，但此类试验存在周期长、费用高等问题。实践证明，以室内岩石力学试验为基准，综合考虑岩体中节理裂隙、尺寸效应的影响，可以满足工程需要。这类方法中，Hoek-Brown准则由于较全面地反映了岩体的结构特征对岩体强度的影响，是发展最完善的方法。在应用Hoek-Brown准则时，关键是确定强度准则中的地质强度指标GSI和岩体扰动因子D。因此，更进一步地讲，确定考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数对获得爆破与富水影响区内的岩石力学参数十分关键，进而对研究隧道开挖面富水后的围岩稳定性具有重要意义。
现有对爆破扰动下岩石Hoek-Brown准则参数研究的较多，但当岩体处于富水状态时，水-岩作用同样会破坏岩石的完整性，从而对岩石造成损伤扰动的影响，使其Hoek-Brown准则参数也变得不同(尤其是软岩影响更为明显)。目前鲜有将爆破和富水扰动影响同时考虑在内的岩石Hoek-Brown准则参数确定方法，故有必要进行研究。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明提供了一种考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数确定方法，能够将爆破与富水的叠加影响以复合影响因子的形式代入准则进行计算，得到考虑爆破与富水扰动影响的Hoek-Brown准则关键参数。
本发明包括以下步骤：
步骤1、在爆破开挖面扰动区进行观测，评估爆破后岩石扰动水平；
步骤2、在开挖面扰动区附近采集均匀的完整岩块，并加工成标准岩样；
对标准岩样进行表观与纵波波速筛选；
获取不同浸水时间下的岩样平均饱和度，进而拟合岩样吸水曲线；
步骤3、根据岩样吸水曲线，选定多组饱和度；将岩样在不同饱和度下进行波速测试，确定每个标准岩样在不同饱和度下的波速值。
步骤4、对同一饱和度下的多个标准岩样波速值取平均，拟合得到平均波速与饱和度的关系。
步骤5、根据步骤1的爆破开挖扰动评估情况、步骤4的岩样平均波速随饱和度的关系，分别确定爆破扰动因子Db和富水扰动因子Dw；
步骤6、根据应变等价原理，将爆破扰动定义为第一影响因素，将富水扰动定义为第二影响因素，计算同时考虑爆破和富水扰动影响的复合影响因子Ds；
步骤7、基于复合影响因子Ds，计算得到同时考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数。
本发明具有以下有益效果：本发明通过评估开挖扰动区爆破扰动水平确定爆破扰动因子，通过开展开挖扰动区岩石室内试验，建立富水扰动因子与岩石含水状态的联系，再将上述两种效应复合得到新的扰动因子，进而可通过理论计算直接获得不同爆破与富水扰动水平共同作用下的岩石Hoek-Brown准则参数。
附图说明
图1是本发明流程图。
图2是本发明实施例中岩样平均饱和度-浸水时间关系曲线。
图3是本发明实施例中岩样波速-饱和度的关系。
图4是本发明实施例中数值模拟竖向位移云图。
图5是本发明实施例中数值模拟水平向位移云图。
图6是本发明实施例中隧道拱顶下沉现场实测。
图7是本发明实施例中隧道周边收敛现场实测。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明具体实施方式作进一步描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明。
本发明采取的技术方案：
步骤1、在爆破开挖面扰动区进行观测，评估爆破后岩石扰动水平。
步骤2、在开挖面扰动区附近采集均匀的完整岩块，并加工成标准岩样；对标准岩样进行表观与纵波波速筛选，选取外观、波速差异小的岩样进行室内浸水试验；获取不同浸水时间下的岩样平均饱和度，进而拟合岩样吸水曲线，并依据变化规律划分吸水阶段。
步骤3、根据岩样吸水曲线，选定多组饱和度。将岩样在不同饱和度下进行波速测试，确定每个标准岩样在不同饱和度下的波速值。
步骤4、对同一饱和度下的多个标准岩样波速值取平均，拟合得到平均波速与饱和度的关系(即Vd-Vud＝f(Sr)，其中Vd为不同饱和度下的岩石平均纵波波速，单位为km/s；Vud为干燥条件下的岩石平均纵波波速，单位为km/s；f(Sr)为与饱和度相关的函数关系式)。
步骤5、根据所述步骤1的爆破开挖扰动评估情况、所述步骤4的岩样平均波速随饱和度的关系，分别确定爆破扰动因子Db和富水扰动因子Dw。
步骤6、根据应变等价原理，将爆破扰动定义为第一影响因素，将富水扰动定义为第二影响因素，计算同时考虑爆破和富水扰动影响的复合影响因子Ds。
步骤7、基于理论推导公式与所述步骤6所述复合影响因子Ds，计算得到同时考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数。
在某些实施例中：步骤1的爆破开挖面扰动区进行观测与爆破扰动水平评估的方法，包括观察围岩松动情况、观测破碎程度、钻孔波速现场测试等方法。
步骤2中应对不少于3个标准岩样进行浸水试验，获取不同浸水时间下的岩样平均饱和度，进而拟合岩样吸水曲线，得到不同浸水时间下饱和度的变化规律，并依据变化规律划分吸水阶段。
步骤3在选定饱和度组时，应尽可能增加饱和度的组数，并且根据不同吸水阶段的饱和度变化趋势，多取变化显著段，适当减少取变化缓和段，其中变化显著段至少选定三组饱和度，以确保后续平均波速与饱和度的拟合关系良好。进一步的，在将标准岩样制备成不同饱和度时，采用浸水方法达到选定饱和度。
在某些实施例中：步骤4对同一饱和度下的多个标准岩样波速值取平均前应包括剔除离散的数据，并确保每组饱和度下有效数据至少3个。若单组选定饱和度下的有效数据不足3个，更换岩样重新制备并测试波速。
步骤4中对岩样平均波速与饱和度的关系进行拟合时，应尽可能在保证拟合相关系数高的情况下(拟合系数大于0.9)，使拟合关系式Vd-Vud＝f(Sr)简洁。
在某些实施例中：步骤5具体过程如下：
首先，根据所述步骤1中爆破开挖扰动评估情况，参照Hoek和Brown提出的爆破扰动因子经验表格，确定爆破扰动因子Db。
表1爆破扰动因子Db的取值
接着，通过理论公式推导确定富水扰动因子Dw。2002年Hoek-Brown强度准则关于岩石模量与扰动因子D的关系表达式为：
式中，Em为岩石变形模量，σci为单轴抗压强度，GSI地质强度指标值；
公式(1)考虑了岩石的塑性，现将富水扰动影响的Dw替换其中的D，且若将受富水扰动影响的岩体变形模量表示为Ed，未受影响的表示为Eud，可得：
夏开宗和Barton等人研究，关于岩体变形模量Em和岩体质量指标Q的关系以及Q与纵波波速V的关系为：
Q＝10V-3.5 (4)
联立式(2)～式(4)，得到：
由所述步骤4可知，岩石平均波速随饱和度的变化拟合公式：
Vud-Vd＝f(Sr) (6)
最后，将式(6)代入式(5)进而可得到富水扰动因子的计算公式为：
届时，可确定不同含水状态下的富水扰动影响因子Dw。
步骤6具体过程如下：
根据应变等价原理，将爆破扰动影响定义为第一种扰动影响，将富水扰动影响定义为第二种扰动影响，则可以由式(8)得到同时考虑爆破和富水扰动影响的复合影响因子Ds：
Ds＝Db+Dw-DbDw (8)
步骤7具体过程如下：
若想获得考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则中mb、s、α三个参数(式9)，除了需要获得复合影响因子Ds外，还需获得地质强度指标GSI值和mi值。其中，mi值可根据所述步骤1的评估结果，结合岩石岩性、强度、结构面和破碎情况查表2获得。
表2不同岩石mi的取值
GSI值则可以根据Hashemi等人研究，通过RMR值来估算，公式如式(10)所示：
GSI＝RMR89-5(RMR89>23) (10)
式中，RMR89为RMR地质力学分级法中的地质分级参数。
根据Barton提出的RMR89与岩体质量指标Q之间的关系：
RMR89＝15lg Q+50 (11)
将式(10)代入式(11)可得：
GSI＝15V-7.5 (12)
当岩体处于富水条件下时，公式(11)变为：
GSIw＝15Vd-7.5 (13)
联立上式可得：
若岩层含水状态已知，则可以直接通过式(14)获得考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数，进而可用于进行相关设计及数值模拟计算、评估。
实施例：
本实例为某山岭公路隧道施工项目，隧址毗邻景区，周围水资源丰富。隧道围岩岩性为中～高风化晶屑凝灰岩，节理裂隙较发育且经微观试验分析知岩石内部含有较多黏土矿物(易遇水膨胀)，隧道施工采用双侧壁导坑法。在隧道施工右侧壁过程中，项目出现了因爆破施工扰动造成开挖面岩体裂隙与周围水系贯通的现象，导致开挖面逐步富水而承载能力大幅下降。为降低后续施工风险，拟获取岩石Hoek-Brown准则参数进行数值模拟与实测分析。
步骤1、在爆破开挖面扰动区进行观测，观察掌子面围岩松动、破碎程度及节理裂隙情况，进行必要的钻孔波速测试，综合评估爆破后岩石扰动水平。
步骤2、在开挖面扰动区附近采集均匀的完整岩块，并加工成若干标准岩样(直径50mm，高度100mm)。对标准岩样进行表观与纵波波速筛选，选取外观、波速差异小的3块岩样进行浸水试验，获取不同浸水时间下的岩样平均饱和度，进而拟合岩样吸水曲线，得到不同浸水时间下饱和度的变化规律。
从吸水曲线土中可以看出(图2)，岩样饱和度随浸水时间呈现负指数增长趋势，分为三个阶段：
1)阶段Ⅰ，当浸水时间小于72h时，岩样饱和度随浸水时间几乎呈现线性增加；
2)阶段Ⅱ，当浸水时间介于72～240h时，岩样饱和度随浸水时间增长趋于缓慢；
3)阶段Ⅲ，当浸水时间大于240h时，岩样饱和度几乎不再增长。
步骤3、根据步骤2不同吸水阶段的饱和度变化趋势，尽可能增加饱和度的组数，并且根据吸水曲线多取变化明显段，适当减少取变化缓和段。因此，选定吸水阶段Ⅰ的六组为0％、10％、19％、27％、46％、60％，吸水阶段Ⅱ的三组为75％、85％、90％，吸水阶段Ⅲ的一组100％作为后续试验饱和度。通过浸水试验制备出选定饱和度的岩样，并在不同饱和度下进行波速测试，确定每个岩样在不同饱和度下的波速值；
步骤4、对同一饱和度下的5个标准岩样波速取均值(剔除离散数据)，确保每组饱和度下有效数据至少3个，若单组选定饱和度下的有效数据不足3个，则更换岩样重新制备并测试波速。
后拟合得到平均波速与饱和度的关系为线性关系，关系式为：Vd-2.02＝-0.2Sr(单位为km/s)，拟合相关系数为0.97(见图3)。
步骤5、根据步骤1的爆破开挖扰动评估情况、步骤4的平均波速与饱和度的关系式，分别确定爆破扰动因子Db和富水扰动因子Dw，具体过程如下：
首先，根据步骤1中爆破开挖扰动评估情况，参照Hoek和Brown提出的爆破扰动因子经验表格(表1)，确定爆破扰动因子Db为0.4；
接着，通过理论公式推导确定富水扰动因子。Hoek-Brown强度准则关于岩石模量与扰动因子D的关系表达式为：
式中，Em为岩石变形模量，σci为单轴抗压强度，GSI地质强度指标值；
公式(1)考虑了岩石的塑性，现将富水扰动影响的Dw替换其中的D，且若将受富水扰动影响的岩体变形模量表示为Ed，未受影响的表示为Eud，可得：
关于岩体变形模量Em和岩体质量指标Q的关系以及Q与纵波波速V的关系为：
Q＝10V-3.5 (4)
联立式(2)～式(4)，得到：
由所述步骤4可知，岩石平均波速随饱和度的变化拟合公式：
Vd-Vud＝-0.2Sr (6)
最后，将式(6)代入式(5)进而可得到富水扰动因子的计算公式为：
届时，可确定不同含水状态下的富水扰动因子Dw。
步骤6、根据应变等价原理，将爆破扰动定义为第一影响因素，将富水扰动定义为第二影响因素，计算同时考虑爆破和富水扰动影响的复合影响因子Ds；
步骤6中具体过程如下：
根据应变等价原理，将爆破扰动影响定义为第一种扰动影响，将富水扰动影响定义为第二种扰动影响，则可以由式(8)得到同时考虑爆破和富水扰动影响的复合影响因子Ds：
Ds＝Db+Dw-DbDw (8)
步骤7、基于理论推导公式与所述步骤6所得同时考虑爆破和富水扰动影响的复合影响因子Ds，计算得到考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数，具体过程如下：
若想获得考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则中mb、s、α三个参数(式9)，除了需要获得复合影响因子Ds的取值外，还需获得地质强度指标GSI值和mi值。其中，mi值根据步骤1的评估结果，综合岩性、强度等查表2得mi＝13。
GSI值通过RMR值来估算，公式如式(10)所示：
GSI＝RMR89-5(RMR89>23) (10)
式中，RMR89为RMR地质力学分级法中的地质分级参数。
根据Barton提出的RMR89与岩体质量指标Q之间的关系：
RMR89＝15lg Q+50 (11)
将式(10)代入式(11)可得：
GSI＝15V-7.5 (12)
当岩体处于富水条件下时，公式(11)变为：
GSIw＝15Vd-7.5 (13)
联立上式可得：
若岩层含水状态已知，则可以直接通过式(14)获得考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数的大小，进而可用于进行相关设计及数值模拟计算、评估。
现已知开挖面岩体含水饱和度约为47％，根据步骤4平均波速与饱和度的关系式知此时岩石波速值为1.926km/s。岩石初始波速值为2.02km/s，综合公式(7)、(8)、(13)、(14)可得到考虑爆破和富水扰动影响的H-B强度准则参数，见表3。
表3考虑爆破和富水扰动影响的H-B强度准则参数计算结果
将经上述步骤得到的考虑爆破和富水扰动影响的H-B强度准则参数，用于隧道开挖数值模拟研究，并将模拟得到的最终位移结果(图4-5)与实测最终位移(图6-7)进行对比。从对比结果可以看出(表4)，采用考虑爆破和富水扰动影响的H-B强度准则参数建立的数值模型是可靠的，可以较好地反映隧道开挖面富水后围岩的变形，为评估后续施工风险提供了参考。
表4数值模拟结果与现场实测对比
Claims (5)
1.一种考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数确定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤1、在爆破开挖面扰动区进行观测，评估爆破后岩石扰动水平；
步骤2、在开挖面扰动区附近采集均匀的完整岩块，并加工成标准岩样；
对标准岩样进行表观与纵波波速筛选；
获取不同浸水时间下的岩样平均饱和度，进而拟合岩样吸水曲线；
步骤3、根据岩样吸水曲线，选定多组饱和度；将岩样在不同饱和度下进行波速测试，确定每个标准岩样在不同饱和度下的波速值；
步骤4、对同一饱和度下的多个标准岩样波速值取平均，拟合得到平均波速与饱和度的关系；
步骤5、根据步骤1的爆破开挖扰动评估情况、步骤4的岩样平均波速随饱和度的关系，分别确定爆破扰动因子Db和富水扰动因子Dw，所述富水扰动因子Dw计算如下：
其中f(Sr)为与饱和度相关的函数关系式；
步骤6、根据应变等价原理，将爆破扰动定义为第一影响因素，将富水扰动定义为第二影响因素，计算同时考虑爆破和富水扰动影响的复合影响因子Ds；
步骤7、基于复合影响因子Ds，计算得到同时考虑爆破与富水扰动影响的岩石Hoek-Brown准则参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2中应对不少于3个标准岩样进行浸水试验，获取不同浸水时间下的岩样平均饱和度，进而拟合岩样吸水曲线，得到不同浸水时间下饱和度的变化规律，并依据变化规律划分吸水阶段。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4对同一饱和度下的多个标准岩样波速值取平均前应包括剔除离散的数据，并确保每组饱和度下有效数据至少3个；若单组选定饱和度下的有效数据不足3个，则更换岩样重新制备并测试波速。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6中复合影响因子Ds计算如下：
Ds＝Db+Dw-DbDw。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤7中岩石Hoek-Brown准则参数计算如下：
其中Vud为干燥条件下的岩石平均纵波波速，mb、s和a为Hoek-Brown准则中的参数。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117783289A (zh) * | 2024-02-26 | 2024-03-29 | 中国地质大学（北京） | 利用声波速度原位无损检测岩石自由吸水率的方法和装置 |
| CN117783289B (zh) * | 2024-02-26 | 2024-05-10 | 中国地质大学（北京） | 利用声波速度原位无损检测岩石自由吸水率的方法和装置 |
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2023
- 2023-03-17 CN CN202310261155.XA patent/CN116305462A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117783289A (zh) * | 2024-02-26 | 2024-03-29 | 中国地质大学（北京） | 利用声波速度原位无损检测岩石自由吸水率的方法和装置 |
| CN117783289B (zh) * | 2024-02-26 | 2024-05-10 | 中国地质大学（北京） | 利用声波速度原位无损检测岩石自由吸水率的方法和装置 |
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Legal Events
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