CN117665918A - 一种基于h-b准则经验参数定量确定的围岩稳定性分析方法及系统 - Google Patents
一种基于h-b准则经验参数定量确定的围岩稳定性分析方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于H‑B准则经验参数定量确定的围岩稳定性分析方法，包括以下步骤：获取岩石材料常数mi、岩石单轴抗压强度σci并进行声波测试得到垂直于围岩表面不同深度处的岩体声波速度，计算原岩区平均声波速度，根据平均声波速度结合波速法定量计算围岩的地质强度指标GSIm0和损伤因子D，根据损伤因子D的变化规律总结得到距围岩表面不同深度d处损伤因子D的定量变化关系，获取距围岩不同深度d处三个经验参数(mb、s和a)的定量变化关系，利用微元法及数值分析法实现三个经验参数随深度变化的等效连续性赋值，对围岩的稳定性进行评价。本发明为后续进行围岩稳定性分析、灾害防治控制等问题奠定了重要基础。
Description
技术领域
本发明属于深部围岩稳定性评价领域，特别涉及一种基于H-B准则经验参数定量确定的围岩稳定性分析方法及系统。
背景技术
随着浅部资源的濒临枯竭以及空间利用日趋饱和，资源储备充足、空间开发潜力大的深部岩石工程已逐渐常态化。然而，复杂的赋存环境为深部岩体工程的建设带来了极大挑战。高地应力是深部岩石工程最大的环境特点，隧道掘进机 (TBM)和钻爆法(D&B)是目前深部岩体常用的两种开挖方法，开挖使得岩体的初始平衡状态被打破，在应力重分布和动力荷载的联合作用下，会在距围岩表面一定深度内形成开挖损伤区，损伤区内的岩体力学性质劣化，对围岩的稳定性产生较大影响，常是地下岩石工程各种地质灾害(如突发大变形、坍塌、岩爆等)的发生载体。确定岩体力学参数是围岩稳定性评价、地质灾害的预测以及支护方案的设计的基础，目前在确定岩体力学参数方面，常用的方法为原位试验法以及经验法。
在2002版和2018版的H-B准则中，Hoek和Brown给出了用于估算地下岩石工程岩体开挖后的损伤因子D建议值，如表1所示。
表1 H-B准则中损伤因子D的建议取值
分析表1中的描述可以发现H-B准则中关于D的取值建议存在一些问题：
(1)表1中仅给出了3个岩体外观图，对现场损伤程度的描述也多是定性的，这给不同质量围岩开挖后的损伤程度评价带来较大困难，评价结果也将非常依赖人的主观经验；
(2)由于岩体开挖后只有围岩损伤区的力学性质会受到影响，原岩区基本没有影响(D＝0)，因此确定损伤区的范围非常关键，而表1中并没有给出明确的划定标准；
(3)尽管D的取值范围为0～1，但是表1中仅给出了D＝0、D＝0.8、D＝0.5 以及D由1至0线性变化这四种情况，并未涉及D在0～1范围的其他取值具体如何确定；
(4)表1中序号4的工况提及D由在距围岩表面2m内由1至0线性降低，但是这种线性降低的规律如何应用到数值分析中(如稳定性评价、灾害预测等) 并未给出指导，这给使用者带来较大的困惑。
通过以上分析可知，GSI以及扰动因子D受人为经验丰富程度的影响较大，给广义H-B准则中的三个经验参数mb、s和a的确定带来较大困难。此外这三个经验参数一般是利用H-B准则对围岩稳定性进行数值分析时的基本材料参数。因此，mb、s和a的难确定也进一步阻碍了围岩稳定性的准确评价。鉴于此，非常有必要找到一种H-B准则经验参数定量确定方法及围岩稳定性评价系统。
发明内容
针对上述技术问题，本发明目的在于提供一种H-B准则经验参数定量确定方法及围岩稳定性评价系统，其不仅通过波速法给出了H-B准则三个经验参数的定量方法，而且利用微元法建立了将经验参数估算结果在围岩稳定性分析中的应用系统，旨在解决H-B准则中的三个经验参数(mb、s和a)多依赖现场的定性描述、结果受人为经验丰富程度影响大、在围岩稳定性分析过程应用难的问题。
为达到上述结果，本发明采用的技术方案如下：
一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法包括以下步骤：
步骤1：获取岩石的材料常数mi、岩石的单轴抗压强度σci并进行声波测试得到垂直于围岩表面不同深度处的岩体声波速度；
步骤2：基于步骤1得到的不同深度处的岩体声波速度划定围岩损伤区和原岩区范围，根据波速法定量计算围岩的地质强度指标GSIm0和距围岩不同深度处的损伤因子D；
步骤3：根据损伤因子D的变化规律总结得到距围岩表面不同深度d处损伤因子D的定量变化关系；
步骤4：对于原岩区岩体，根据损伤因子D和地质强度GSI的初始值求得 H-B准则中三个经验参数(mb、s和a)的初始值，对于损伤区岩体，求得三个经验参数(mb、s和a)的定量表达式，进而获取距围岩不同深度d处三个经验参数(mb、s和a)的定量变化关系；
步骤5：利用微元法及数值分析法实现三个经验参数随深度变化的等效连续性赋值；
步骤6：利用步骤5被连续赋值的三个经验参数计算求得的围岩表面最大位移累计值，根据最大位移累计值对围岩的稳定性进行评价。
进一步地，步骤1进行声波测试的测试孔深度至少为8米。
进一步地，步骤2中划定围岩损伤区和原岩区范围的方法如下：
根据步骤1求得不同深度处的岩体声波速度，根据损伤区岩体声波速度普遍低于原岩区岩体声波速度，认定距围岩表面一定深度范围内波速相对较低的范围内为损伤区，损伤区以外，为即波速相对较高的范围内为原岩区岩体。进一步地，步骤2中计算地质强度指标GSIm0的方法如下：
地震波P波速度Sp、岩体地质力学分级指标RMR76与岩体变形模量Em的关系分别如下：
同时，GSI与RMR76满足条件：
GSI＝RMR76 (3)
根据公式(1)～(3)，求得GSI与岩体地震波P波速度Sp之间的关系为：
岩体地震波P波速度Sp与岩体声波速度Vp具有下列线性关系：
Sp＝kVp+b (5)
其中，GSI为地质强度指标，Vp为岩体声波P波速度，单位是km/s，k和b 为工程岩体的地震波与岩体声波速度之间的拟合常数，根据地质勘察资料中获取；
联立公式(4)和(5)建立起GSI与岩体声波速度Vp之间的定量表达式：
将原岩区岩体平均声波速度Vp0代入到公式(6)中，定量地确定H-B准则中的GSIm0值，公式如下：
进一步地，在步骤2中，采用波速法定量获取围岩损伤因子D方法如下：
岩体的变形模量Em与损伤因子D存在关系如下：
其中，E0为岩体原岩区岩体的变形模量；
岩体变形模量Em与岩体声波速度之间的关系表示为：
Em＝aexp(cVp) (9)
其中，a和c为拟合常数，通过工程前期地质勘察资料中的岩体变形模量与声波速度数据进行拟合得到；
求得原岩区岩体的变形模量为：
E0＝aexp(cVp0) (10)
根据岩体变形模量与声波速度之间的关系以及原岩区岩体的变形模量得到如下关系式：
根据上述公式，求得岩体损伤因子D的定量为：
D＝2{1-exp[c(Vp-Vp0)]} (12)
损伤因子D的取值范围为0～1，当D>1时则视为D＝1，当D<0时则视为D＝0。
进一步地，所述步骤3中计算距围岩表面不同深度d处损伤因子D的定量变化关系方法如下：
首先将损伤因子D随深度d的变化规律分为常数型、线性降低型以及常数- 线性降低复合型三类：
1)常数型即整个围岩损伤区的损伤因子D皆为常数，此时损伤区岩体的损伤因子D的变化规律表述为：
D(d)＝Df (13)
其中，D(d)为与距围岩不同深度d的损伤因子函数表达式；Df为围岩表面处的损伤因子；
2)线性降低型即整个围岩损伤区的损伤因子随着距围岩表面深度d增加表现为线性降低趋势，此时D的变化规律描述为：
其中，HEDZ为损伤区深度；
3)常数-线性降低复合型即距围岩表面一定深度h范围内的损伤因子D均保持恒定，即D＝Df，在h范围以外的损伤区范围内随深度(d-h)增加损伤因子由Df线性降低，此时D的变化规律描述为：
观察损伤区内距围岩不同深度处的损伤因子D的分布特征后，根据公式(13) ～(15)得到损伤因子D随深度d的连续性定量表达式D(d)。
进一步地，所述步骤4中计算距围岩不同深度d处三个经验参数(mb、s和a)的定量变化关系的方法如下：
(1)对于原岩区岩体，将损伤因子D＝0和GSI＝GSIm0代入公式(2)～(4)，求得这三个经验参数mb0、s0和a0；
(2)对于损伤区岩体，由步骤2和步骤3的结果可知，将公式(1)、公式 (13)～(15)代入公式(3)～(4)求得三个经验参数的定量表达式mb(d)、s(d) 和a(d)，即：
根据H-B准则中三个经验参数随距围岩深度d变化的连续性函数定量关系，参数a仅与GSI有关，故损伤区的参数a(d)实质上与原岩区的a0相等，即a(d)＝a0。
进一步地，所述步骤5中实现三个经验参数随深度变化的等效连续性赋值方法如下：
(1)将原岩区岩体的mb、s和a分别赋值为步骤4中求得的mb0、s0和a0；
(2)参数a只与GSIm0有关，将损伤区的参数a赋值为步骤4求得的a(d)＝a0，因参数mb和s不仅依赖于GSIm0，而且与损伤因子D相关，对于不同损伤因子D 对应的mb和s参数在数值软件的赋值方法：
1)当根据步骤3求得的损伤因子D存在常数段时，即D(d)＝Df，此时损伤区岩体的mb和s分别赋值为将GSIm0与D(d)＝Df代入到经验参数的定量表达式中求解到的mb(d)和s(d)；
2)当根据步骤2求得的损伤因子D存在线性降低段时，借助微元法思想求解mb和s，具体步骤如下：
①将损伤区内D的线性降低段划分为n个等距的子区域，n为自然数；
②将划分的n个子区域中的损伤因子D根据距围岩表面的深度由浅及深按照等差Df/n依次递减；
③根据各子区域损伤因子D求解对应的mb和s，将其与其他模拟所需的参数一起对围岩各子区域岩体进行赋值；
④监测围岩表面某监测点在开挖后的最终位移，直至最终位移不再随着划分份数n的增加而明显变化，此时认为划分的n个子区域等效于在损伤区D线性降低段实现了三个经验参数连续性赋值。
进一步地，步骤6具体根据围岩的位移变化大小判断围岩的稳定性，基于步骤1至5，在围岩表面设置两个监测点，取两监测点最大位移累积值与两监测点间的距离之比为围岩的位移相对值，求得的监测点相对位移值接近该工程围岩的允许位移相对值，则判断该围岩状态不稳定，否则处于稳定状态。
一种基于H-B准则经验参数定量确定的围岩稳定性分析系统包括：
速度获取模块：其被配置以执行以下动作：获取岩石的材料常数mi、岩石的单轴抗压强度σci并进行声波测试得到垂直于围岩表面不同深度处的岩体声波速度；
参数计算模块，其被配置以执行以下动作：划定围岩损伤区和原岩区范围，根据波速法定量计算围岩的地质强度指标GSIm0和距围岩不同深度处的损伤因子D；
根据损伤因子D的变化规律总结得到距围岩表面不同深度d处损伤因子D 的定量变化关系；以及获取距围岩不同深度d处三个经验参数(mb、s和a)的定量变化关系；
赋值模块，其被配置以执行以下动作：利用微元法及数值分析法实现三个经验参数随深度变化的等效连续性赋值；
稳定性分析模块，其被配置以执行以下动作：利用步骤5被连续赋值的三个经验参数计算求得的围岩表面最大位移累计值，根据最大位移累计值对围岩的稳定性进行评价。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果如下：
(1)本发明基于波速法提出了H-B准则中三个经验参数(mb、s和a)的定量取值方法，避免了现有准则中对这三个参数的确定强烈于依赖人为经验丰富程度；
(2)本发明首次给出了深部围岩损伤区存在的三种损伤因子D的变化趋势 (即常数型、线性降低型以及常数-线性降低复合型)，既丰富了H-B准则中对D 的取值建议，又给使用人员在分析围岩损伤因子变化规律时提供了参考思路；
(3)本发明借助微元法思想解决了H-B准则中mb、s和a在数值分析软件中的连续赋值难题，为后续进行围岩稳定性分析、灾害防治控制等问题奠定了重要基础。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明实施例中桩号K15+100围岩的声波P波速度数据；
图3为本发明实施例中桩号K15+500围岩的声波P波速度数据；
图4为本发明实施例中桩号K16+100围岩的声波P波速度数据；
图5为本发明实施例中桩号K15+100围岩损伤区损伤因子D的变化规律；
图6为本发明实施例中桩号K15+500围岩损伤区损伤因子D的变化规律；
图7为本发明实施例中桩号K16+100围岩损伤区损伤因子D的变化规律；
图8为本发明实施例中桩号K15+100围岩岩体三个经验参数赋值示意图；
图9为本发明实施例中桩号K15+500围岩损伤区划分2份子区域示意图；
图10为本发明实施例中桩号K15+500围岩损伤区划分5份子区域示意图；
图11为本发明实施例中桩号K15+500围岩损伤区划分为不同的n个子区域对应的监测点A最终水平位移；
图12为本发明实施例中桩号K16+100围岩损伤区划分10份子区域示意图。
具体实施方式
下面以我国西南某水电工程埋深为1500m左右的引水隧洞围岩稳定性评价为例阐述本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明公开的一种H-B准则经验参数定量确定方法及围岩稳定性评价系统，包括以下步骤：
步骤1：获取岩石的材料常数mi、岩石的单轴抗压强度σci并进行声波测试得到垂直于围岩表面不同深度处的岩体声波速度；
具体地，根据施工前期的地质调研资料和室内岩石试验数据，本实例中的引水隧洞围岩岩性主要为大理岩，其mi＝25。
按照《水利水电工程岩石试验规程》(SLT 264-2020)第10部分—“岩体声波测试”中的建议获取垂直于围岩表面不同深度处的岩体P波速度，需要注意的是，为了使测试结果能同时包含损伤区与原岩区的声波速度，声波测试孔深度至少为8m。
具体地，按照《水利水电工程岩石试验规程》(SLT 264-2020)第10部分—“岩体声波测试”中的建议，本实施例的引水隧洞围岩开挖后，分别针对桩号为 K15+100、K15+500和K16+100处的围岩进行了声波测试，在垂直围岩边墙表面方向设置两个深8m的平行钻孔以用于声波对穿测试，声波收发换能器从孔底每隔0.2m向孔口移动，得到桩号K15+100、K15+500和K16+100处围岩不同深度的声波P波速度分别如图2、图3以及图4所示。
步骤2：计算原岩区平均声波速度，根据平均声波速度结合波速法定量计算围岩的地质强度指标GSIm0和损伤因子D；
具体地，首先，P波速度大小与岩体力学性质密切相关，一般而言，力学性质差的岩体P波速度较低，损伤区岩体力学性质相较于原岩区岩体发生了劣化，根据步骤2得出的测试结果，认定低波速区涉及的深度为损伤区深度HEDZ(m)，对原岩区所有波速取平均值则为原岩区岩体平均P波速度Vp0，本实施例引水隧洞桩号K15+100、K15+500和K16+100处围岩的损伤区深度HEDZ(m)以及平均P波速度Vp0分别标注在图2、图3和图4中。
其次，施工前期对工程现场的地质进行了地震波和声波测试，二者P波速度之间的线性拟合关系为Sp＝kVp+b，其中k＝0.89，b＝0.27。将其带入到公式(7) 中并结合图2～4中的求得的平均P波速度Vp0，即可求得K15+100围岩的地质强度指标GSIm0＝78，K15+500围岩的地质强度指标GSIm0＝76；K16+100围岩的地质强度指标GSIm0＝80。
最后，通过对工程前期地质勘察资料中的岩体变形模量与声波速度数据用函数模型E0＝aexp(cVp0)拟合后可以得到二者之间的拟合常数为a＝0.1856，c＝0.8492，故根据公式(12)可以求得本实施例中围岩的损伤因子D的定量表达式为 D＝2{1-exp[0.8492(Vp-Vp0)]}。
步骤3：根据对声波测试的数据和损伤因子D的变化规律总结得到距围岩表面不同深度d处损伤因子D的定量变化关系；
具体地，由于原岩区岩体默认为未损伤岩体，故本实施例围岩开挖后的原岩区范围岩体对应损伤因子D＝0。对于损伤区岩体，根据步骤3中得到的损伤因子 D的量化公式D＝2{1-exp[0.8492(Vp-Vp0)]}，结合图2～4中的声波测试数据，可求得K15+100、K15+500和K16+100处损伤区内距围岩不同深度处的损伤因子D 的变化规律分别为图5、图6和图7所示。从图5～7可见，损伤区岩体的损伤因子D的变化规律符合公式(13)～(15)，故对于桩号K15+100，由公式(13)，损伤因子D(d)K15+100＝Df，其中Df＝0.87，则D(d)K15+100为：
D(d)K15+100＝1.0 (19)
对于桩号K15+500，结合图3由公式(14)可求得损伤因子D(d)K15+500为：
对于桩号K16+100，结合图4和图7，由公式(15)可求得损伤因子D(d)K16+100为：
故公式(19)～(21)即为本实施例围岩的损伤因子D与深度d之间的拟合函数关系。
步骤4：获取距围岩不同深度d处三个经验参数(mb、s和a)的定量变化关系；
具体地，首先，对于原岩区岩体，将损伤因子D＝0和步骤3求得的GSIm0代入至公式(2)～(4)中即可求得K15+100、K15+500和K16+100处原岩区岩体相应的mb0、s0和a0，计算结果如表2所示。
表2实施例中不同桩号原岩区岩体的三个经验参数计算值
其次，由于参数a仅与GSI有关，故损伤区岩体的经验参数a与原岩区的相同，即a(d)＝a0对于桩号K15+100处的围岩损伤区经验参数mb、s和a的求解，可将GSIm0＝78和公式(19)代入至公式(16)～(18)可求得三个经验参数的连续性定量表达式为：
aK15+100(d)＝a0＝0.500707 (24)
对于桩号K15+500处的围岩损伤区，可将GSIm0＝76和公式(20)代入至公式(16)～(18)可求得三个经验参数的连续性定量表达式为：
aK15+500(d)＝a0＝0.500838 (27)
对于桩号K16+100处的围岩损伤区，可将GSIm0＝80和公式(21)代入至公式(16)～(18)可求得这两个经验参数的连续性定量表达式为：
aK16+100(d)＝a0＝0.500593 (30)
步骤5：利用微元法及数值分析法实现三个经验参数随深度变化的等效连续性赋值；
具体地，首先，根据图5以及公式(19)可知，桩号K15+100处的围岩损伤因子D为常数，故在数值模拟中对原岩区岩体赋值表2中的mb0＝11.39485、 s0＝0.08677、a0＝0.500707。损伤区的三个参数分别赋值为公式(22)～(23)的结果，赋值后的围岩参数示意图如图8所示。
其次，对于桩号K15+500，原岩区赋值表2中的mb0＝10.609321、s0＝0.069483、 a0＝0.500838。对于损伤区，根据图6以及公式(20)可知，扰动因子D在损伤区内线性降低，根据步骤3和步骤4可知：损伤区深度HEDZ＝1.6m，围岩表面的损伤因子Df＝0.87。借助微元法思想，首先将损伤区等距划分为2个子区域，将线性变化段各个子区域中的损伤因子D由浅及深按照等差Df/n＝0.87/2＝0.435 递减，两个子区域的损伤因子D依次为0.87和0.435(如图9所示)，根据公式 (2)～(3)求解两个个子区域损伤因子对应的三个经验参数(mb、s、a)，然后进行数值计算，应力平衡后围岩表面监测点A处的水平位移为1.1cm；其次，将损伤区等距划分为4个子区域，将线性变化段各个子区域中的损伤因子D由浅及深按照等差Df/4＝0.87/4＝0.2175递减，两个子区域的损伤因子D依次为0.87、 0.6525、0.435、0.2175(如图10所示)，赋值各区域损伤因子对应的三个经验参数再次进行数值计算，应力平衡后监测点A处的水平径向位移为0.6cm；重复上述步骤，本实施例还对损伤区分别划分了5等份、8等份、10等份、20等份，得到的监测点A的水平位移随划分份数n增加的变化趋势如图11所示，从图中可以看出，当n≥10时，监测点A的水平位移基本稳定在0.35cm，并随着n的增加不再明显变化，此时可认为当对损伤区划分为10等份时，可实现损伤因子 D的线性变化，根据H-B准则分别对各子区域赋值不同D对应的经验参数(n＝10 对应的各经验参数如表3所示)，即可实现经验参数随深度变化的等效连续性赋值。
表3桩号K15+500损伤区划分份数n＝10时不同子区域对应的三个经验参数计算值
最后，对于桩号K16+100，原岩区赋值表2中的mb0＝12.238541、s0＝0.108368、 a0＝0.500593；对于损伤区，参数a与原岩区的a0＝0.500593相等，故对损伤区岩体的a也赋值为0.500593。根据图7以及公式(21)可知，扰动因子D在损伤区h＝1.4m内保持常数，然后线性降低。对于常数段的损伤区岩体，将D＝0和 GSI＝80代入公式(2)～(4)中求得三个经验参数并赋值给岩体。对于线性降低段，借助微元法思想将线性段岩体划分为n个子区域，将划分的n个子区域中的损伤因子D根据距围岩表面的深度由浅及深按照等差Df/n(Df＝1.0)依次递减。根据各子区域损伤因子D求解对应的mb和s，将其与其他模拟所需的参数一起对围岩各子区域岩体进行赋值，监测围岩表面A监测点在开挖后的最终位移，经过试算发现，当n＝10份时，A的最终位移不再随着划分份数n的增加而明显变化，此时可认为划分的n＝10个子区域可认为等效于在损伤区内三个经验参数的等效连续性赋值，划分后的各区域对应的损伤因子D取值及相应的三个经验参数计算值分别见图12和表4所示。
表4桩号K16+100损伤区划分份数n＝10时不同子区域对应的三个经验参数计算值
步骤6：在步骤1-5的基础上对围岩的稳定性进行评价。
具体地，本实施例在隧洞最大洞径处的表面设置两个监测点，即监测点A 和B，如图8～10和图12所示，两监测点的距离为12.4m。在该工程中，参考《水电水利工程施工安全监测技术规范》(DLT5308-2013)，处于1500m埋深的围岩的允许位移相对值规定为(脆性围岩取下限，塑性围岩取上限)：II类围岩的允许位移相对值为0.1％～0.5％；III类围岩的允许位移相对值为0.4％～1.2％；IV类围岩的允许位移相对值为0.8％～2.0％。经查询地质勘察资料，本实施例中桩号为 K15+100、K15+500以及K16+100处的围岩均为II类围岩，围岩表现为脆性，故隧洞围岩的允许位移相对值为0.1％。对于桩号K15+100，根据步骤6的数值分析结果为两监测点的最大位移累计值为0.9cm，则位移相对值为0.9cm/12.4 m＝0.073％，结果接近0.1％，此处围岩稳定性接近临界值，需要暂时停止开挖活动，需要先加强围岩支护；对于桩号K15+500，根据步骤6的数值分析结果为两监测点的最大位移累计值为0.7cm，则位移相对值为0.7cm/12.4m＝0.056％，结果距离允许值0.1％还有较大的差距，则围岩稳定性较高，可继续开挖施工；对于桩号K16+100，根据步骤6的数值分析结果为两监测点的最大位移累计值为 1.15cm，则位移相对值为0.7cm/12.4m＝0.093％，结果非常接近允许值0.1％，则围岩具备很大的失稳可能，需要立即停止施工，对围岩进行加强支护。
至此，实现了本发明实施例中对于H-B准则中经验参数的定量确定及围岩稳定性评价。
需要说明的是：以上实例仅用于对本发明方法进行详细说明，而非限制了其使用范围，本领域的技术人员可以对本发明方法进行改动与替换，但这并不使其脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取岩石的材料常数mi、岩石的单轴抗压强度σci并进行声波测试得到垂直于围岩表面不同深度处的岩体声波速度；
步骤2：基于步骤1得到的不同深度处的岩体声波速度划定围岩损伤区和原岩区范围，根据波速法定量计算围岩的地质强度指标GSIm0和距围岩不同深度处的损伤因子D；
步骤3：根据损伤因子D的变化规律总结得到距围岩表面不同深度d处损伤因子D的定量变化关系；
步骤4：对于原岩区岩体，根据损伤因子D和地质强度GSI的初始值求得H-B准则中三个经验参数(mb、s和a)的初始值，对于损伤区岩体，求得三个经验参数(mb、s和a)的定量表达式，进而获取距围岩不同深度d处三个经验参数(mb、s和a)的定量变化关系；
步骤5：利用微元法及数值分析法实现三个经验参数随深度变化的等效连续性赋值；
步骤6：利用步骤5被连续赋值的三个经验参数计算求得的围岩表面最大位移累计值，根据最大位移累计值对围岩的稳定性进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，步骤1进行声波测试的测试孔深度至少为8米。
3.根据权利要求1所述的一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，步骤2中划定围岩损伤区和原岩区范围的方法如下：
根据步骤1求得不同深度处的岩体声波速度，根据损伤区岩体声波速度普遍低于原岩区岩体声波速度，认定距围岩表面一定深度范围内波速相对较低的范围内为损伤区，损伤区以外，为即波速相对较高的范围内为原岩区岩体。
4.根据权利要求1所述的一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，步骤2中计算地质强度指标GSIm0的方法如下：
地震波P波速度Sp、岩体地质力学分级指标RMR76与岩体变形模量Em的关系分别如下：
同时，GSI与RMR76满足条件：
GSI＝RMR76 (3)
根据公式(1)～(3)，求得GSI与岩体地震波P波速度Sp之间的关系为：
岩体地震波P波速度Sp与岩体声波速度Vp具有下列线性关系：
Sp＝kVp+b (5)
其中，GSI为地质强度指标，Vp为岩体声波P波速度，单位是km/s，k和b为工程岩体的地震波与岩体声波速度之间的拟合常数，根据地质勘察资料中获取；
联立公式(4)和(5)建立起GSI与岩体声波速度Vp之间的定量表达式：
将原岩区岩体平均声波速度Vp0代入到公式(6)中，定量地确定H-B准则中的GSIm0值，公式如下：
5.根据权利要求4所述的一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，在步骤2中，采用波速法定量获取围岩损伤因子D方法如下：
岩体的变形模量Em与损伤因子D存在关系如下：
其中，E0为岩体原岩区岩体的变形模量；
岩体变形模量Em与岩体声波速度之间的关系表示为：
Em＝aexp(cVp) (9)
其中，a和c为拟合常数，通过工程前期地质勘察资料中的岩体变形模量与声波速度数据进行拟合得到；
求得原岩区岩体的变形模量为：
E0＝aexp(cVp0) (10)
根据岩体变形模量与声波速度之间的关系以及原岩区岩体的变形模量得到如下关系式：
根据上述公式，求得岩体损伤因子D的定量为：
D＝2{1-exp[c(Vp-Vp0)]} (12)
损伤因子D的取值范围为0～1，当D>1时则视为D＝1，当D<0时则视为D＝0。
6.根据权利要求1所述的一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤3中计算距围岩表面不同深度d处损伤因子D的定量变化关系方法如下：
首先将损伤因子D随深度d的变化规律分为常数型、线性降低型以及常数-线性降低复合型三类：
1)常数型即整个围岩损伤区的损伤因子D皆为常数，此时损伤区岩体的损伤因子D的变化规律表述为：
D(d)＝Df (13)
其中，D(d)为与距围岩不同深度d的损伤因子函数表达式；Df为围岩表面处的损伤因子；
2)线性降低型即整个围岩损伤区的损伤因子随着距围岩表面深度d增加表现为线性降低趋势，此时D的变化规律描述为：
其中，HEDZ为损伤区深度；
3)常数-线性降低复合型即距围岩表面一定深度h范围内的损伤因子D均保持恒定，即D＝Df，在h范围以外的损伤区范围内随深度(d-h)增加损伤因子由Df线性降低，此时D的变化规律描述为：
观察损伤区内距围岩不同深度处的损伤因子D的分布特征后，根据公式(13)～(15)得到损伤因子D随深度d的连续性定量表达式D(d)。
7.根据权利要求1所述的一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤4中计算距围岩不同深度d处三个经验参数(mb、s和a)的定量变化关系的方法如下：
(1)对于原岩区岩体，将损伤因子D＝0和GSI＝GSIm0代入公式(2)～(4)，求得这三个经验参数mb0、s0和a0；
(2)对于损伤区岩体，由步骤2和步骤3的结果可知，将公式(1)、公式(13)～(15)代入公式(3)～(4)求得三个经验参数的定量表达式mb(d)、s(d)和a(d)，即：
根据H-B准则中三个经验参数随距围岩深度d变化的连续性函数定量关系，参数a仅与GSI有关，故损伤区的参数a(d)实质上与原岩区的a0相等，即a(d)＝a0。
8.根据权利要求1所述的一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤5中实现三个经验参数随深度变化的等效连续性赋值方法如下：
(1)将原岩区岩体的mb、s和a分别赋值为步骤4中求得的mb0、s0和a0；
(2)参数a只与GSIm0有关，将损伤区的参数a赋值为步骤4求得的a(d)＝a0，因参数mb和s不仅依赖于GSIm0，而且与损伤因子D相关，对于不同损伤因子D对应的mb和s参数在数值软件的赋值方法：
1)当根据步骤3求得的损伤因子D存在常数段时，即D(d)＝Df，此时损伤区岩体的mb和s分别赋值为将GSIm0与D(d)＝Df代入到经验参数的定量表达式中求解到的mb(d)和s(d)；
2)当根据步骤2求得的损伤因子D存在线性降低段时，借助微元法思想求解mb和s，具体步骤如下：
①将损伤区内D的线性降低段划分为n个等距的子区域，n为自然数；
②将划分的n个子区域中的损伤因子D根据距围岩表面的深度由浅及深按照等差Df/n依次递减；
③根据各子区域损伤因子D求解对应的mb和s，将其与其他模拟所需的参数一起对围岩各子区域岩体进行赋值；
④监测围岩表面某监测点在开挖后的最终位移，直至最终位移不再随着划分份数n的增加而明显变化，此时认为划分的n个子区域等效于在损伤区D线性降低段实现了三个经验参数连续性赋值。
9.根据权利要求1所述的一种基于H-B准则经验参数定量确定方法的围岩稳定性分析方法，其特征在于，步骤6具体根据围岩的位移变化大小判断围岩的稳定性，基于步骤1至5，在围岩表面设置两个监测点，取两监测点最大位移累积值与两监测点间的距离之比为围岩的位移相对值，求得的监测点相对位移值接近该工程围岩的允许位移相对值，则判断该围岩状态不稳定，否则处于稳定状态。
10.一种基于H-B准则经验参数定量确定的围岩稳定性分析系统，其特征在于，包括：
速度获取模块：其被配置以执行以下动作：获取岩石的材料常数mi、岩石的单轴抗压强度σci并进行声波测试得到垂直于围岩表面不同深度处的岩体声波速度；
参数计算模块，其被配置以执行以下动作：划定围岩损伤区和原岩区范围，根据波速法定量计算围岩的地质强度指标GSIm0和距围岩不同深度处的损伤因子D；
根据损伤因子D的变化规律总结得到距围岩表面不同深度d处损伤因子D的定量变化关系；以及获取距围岩不同深度d处三个经验参数(mb、s和a)的定量变化关系；
赋值模块，其被配置以执行以下动作：利用微元法及数值分析法实现三个经验参数随深度变化的等效连续性赋值；
稳定性分析模块，其被配置以执行以下动作：利用步骤5被连续赋值的三个经验参数计算求得的围岩表面最大位移累计值，根据最大位移累计值对围岩的稳定性进行评价。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210892411.0A CN117665918A (zh) | 2022-07-27 | 2022-07-27 | 一种基于h-b准则经验参数定量确定的围岩稳定性分析方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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