本發(fā)明屬于邊坡穩(wěn)定性計算，特別涉及一種含巖溶結構的工程邊坡穩(wěn)定性計算評價方法。

背景技術：

1、對邊坡內(nèi)部含有不利地質(zhì)結構，尤其是巖溶結構的穩(wěn)定性評價，不僅現(xiàn)行規(guī)范沒有涉及，也少有研究對此問題進行分析。巖溶結構處于灰?guī)r等地層，其內(nèi)部一般有塊石、碎石、黏土或砂石充填，整體強度較低，作為抗力體和傳力體時，可能面臨承載力不足、無法有效傳遞拱壩壩體荷載的問題，實際工程中對巖溶結構的處理一般是對充填物挖除后回填。因此，受巖溶結構影響，壩肩邊坡在開挖過程中的力學響應和卸荷特征，將顯著影響距離較近的邊坡局部穩(wěn)定性。當邊坡內(nèi)部含有距坡表較近的巖溶結構時，含巖溶不利地質(zhì)結構壩肩槽邊坡開挖所引起的穩(wěn)定性演化，受到巖溶開挖作用的疊加影響，不利于邊坡的局部穩(wěn)定。對于含巖溶的工程邊坡，雖然仍然可以沿用既有方法對邊坡的整體穩(wěn)定性進行分析，但對于巖溶結構影響邊坡局部穩(wěn)定性的計算分析和評價，目前還少有針對性方法。本發(fā)明提出一種含巖溶結構的工程邊坡穩(wěn)定性計算評價方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種含巖溶結構的工程邊坡穩(wěn)定性計算評價方法，實現(xiàn)含巖溶結構的工程邊坡計算分析和穩(wěn)定評價。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：一種含巖溶結構的工程邊坡穩(wěn)定性計算評價方法，包括以下步驟：

3、步驟1：通過勘探，查明邊坡內(nèi)的巖溶結構分布和邊坡工程地質(zhì)條件；

4、步驟2：在已查明的巖溶結構高程以上的已開挖邊坡區(qū)域，實施鉆孔，并采用物探聲波測試方法，獲得邊坡巖體距開挖面不同深度的縱波波速變化規(guī)律，即獲得巖體聲波波速與鉆孔深度曲線；

5、步驟3：根據(jù)獲得的巖體聲波波速與鉆孔深度曲線，將波速值顯著低于深部巖體波速值所對應的范圍劃分為巖體松弛區(qū)，獲得巖體松弛深度測試值 lm；

6、步驟4：根據(jù)已查明的巖溶結構和邊坡工程地質(zhì)條件，建立含巖溶結構的邊坡數(shù)值分析模型，根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，確定邊坡數(shù)值分析模型的初始力學參數(shù)；

7、步驟5：對力學參數(shù)，引入損傷系數(shù) d，獲得力學參數(shù)的邊坡數(shù)值分析模型，損傷系數(shù) d與材料常數(shù) r有關；

8、步驟6：推導可判別巖體進入卸荷松弛狀態(tài)的損傷系數(shù) d的閾值；

9、步驟7：根據(jù)損傷系數(shù) d的閾值，判定計算得到的巖體松弛區(qū)深度，提取對應于現(xiàn)場鉆孔聲波測試部位的巖體松弛深度計算值 lc，將巖體松弛深度測試值 lm與巖體松弛深度計算值 lc進行比較；根據(jù)比較結果，調(diào)整步驟5中的材料常數(shù) r，重新計算損傷系數(shù) d，然后重新計算巖體松弛深度計算值 lc，直至巖體松弛深度測試值 lm等于巖體松弛深度計算值 lc停止，獲得復核當前地層特性的材料常數(shù)值，記為 rok；

10、步驟8：獲得量化評價巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定影響的其中一個定量評價指標 f1；

11、步驟9：根據(jù)步驟8獲得的定量評價指標 f1，判斷巖溶結構和邊坡間的巖體是否被松弛區(qū)貫通，若巖溶結構和邊坡間的巖體被松弛區(qū)貫通，則采取應對策略后重新計算定量評價指標 f1；

12、對于未被松弛區(qū)貫通區(qū)域，計算未松弛區(qū)巖體的強度應力比 s，作為量化評價巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定影響的另一個定量評價指標；

13、步驟10：根據(jù)定量評價指標 f1和 s，判斷巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定的影響程度，并采用不同的應對策略；

14、步驟11：采用強度折減法獲取含巖溶結構的邊坡整體安全系數(shù) f2，根據(jù)安全系數(shù)[ fos]評價邊坡整體穩(wěn)定性，若 f2<[ fos]，說明邊坡整體穩(wěn)定性不滿足要求，則根據(jù)失穩(wěn)模式針對性加固后，重復步驟8~11，直至 f2≥[ fos]。

15、優(yōu)選的方案中，所述步驟2中，鉆孔深度不小于20m。

16、優(yōu)選的方案中，所述步驟4中，邊坡數(shù)值分析模型的初始力學參數(shù)，包括變形模量 e0、粘聚力 c0、內(nèi)摩擦角 φ0。

17、優(yōu)選的方案中，所述步驟5中，損傷系數(shù) d的計算公式為：

18、（1）；

19、式中： d是邊坡巖體的損傷系數(shù)， d值越小，巖體的卸荷損傷程度就越?。粸榈刃苄詰?； r為材料常數(shù)。

20、優(yōu)選的方案中，所述步驟5中，力學參數(shù)的邊坡數(shù)值分析模型的計算公式如下：

21、（2）；

22、（3）；

23、式中： e1是考慮了卸荷損傷影響的變形模量； c1和 φ1是考慮了卸荷損傷影響的粘聚力和層面內(nèi)摩擦角。

24、優(yōu)選的方案中，所述步驟6中，損傷系數(shù) d的閾值的推導過程如下：

25、邊坡開挖前后巖體的縱波波速，與步驟3中實測得到的松弛范圍外和松弛范圍內(nèi)巖體縱波波速相對應，分別為 cp0和 cp1，根據(jù)彈性波理論，計算公式為：

26、（4）；

27、（5）；

28、式中： cp0為邊坡開挖前巖體的縱波波速， cp1為邊坡開挖后巖體的縱波波速；

29、開挖卸荷前后圍巖縱波波速變化與變形模量和密度的關系表達式為：

30、（6）；

31、再根據(jù)式(1)，得出：

32、（7）；

33、因開挖卸荷作用對巖體的密度影響較小，因此有 ρ1≈ ρ2，則式(6)進一步化簡為：

34、（8）；

35、把波速下降10%作為巖體松弛的依據(jù)，即：

36、 cp1≤0.9 cp0（9）；

37、當邊坡巖體波速滿足式(9)條件時，認為該部位巖體發(fā)生松弛，則把式(9)代入式(8)，即得到巖體松弛的損傷系數(shù)取值范圍，為d≥0.19。

38、優(yōu)選的方案中，所述步驟7中，根據(jù)比較結果，調(diào)整步驟5中的材料常數(shù) r的取值的調(diào)整規(guī)則為：當巖體松弛深度測試值 lm大于巖體松弛深度計算值 lc時，減小材料常數(shù) r值，重新計算；當巖體松弛深度測試值 lm小于巖體松弛深度計算值 lc時，增大材料常數(shù) r值，重新計算，直至巖體松弛深度測試值 lm等于巖體松弛深度計算值 lc停止。

39、優(yōu)選的方案中，所述步驟8中，定量評價指標 f1的計算公式為：

40、（10）；

41、式中： ps和 pk分別為邊坡和巖溶的松弛深度， p為巖溶結構壁面到開挖邊坡坡面的最短距離。

42、優(yōu)選的方案中，所述步驟9中，強度應力比 s的計算公式為：

43、 s= f1 kv rb/ σm（11）；

44、式中： kv為該區(qū)域的邊坡巖體完整性系數(shù)， σm為巖溶結構和邊坡之間的未松弛巖體區(qū)域的最大壓應力， rb為巖石單軸抗壓強度。

45、優(yōu)選的方案中，所述步驟8中，還包括獲得定性指標：將步驟7中獲得的當前地層特性的材料常數(shù)值 rok代入力學參數(shù)的邊坡數(shù)值分析模型，根據(jù)巖溶結構和邊坡的開挖支護方案進行計算分析；然后，當邊坡開挖完成時，截取巖溶結構距離邊坡坡表最近的斷面，首先在邊坡數(shù)值分析模型中量測從巖溶結構壁面到開挖邊坡坡面的最短距離 p，然后在該斷面內(nèi)，根據(jù)計算分析結果，確定邊坡和巖溶的塑性區(qū)分布范圍，判斷巖溶和邊坡之間的巖體是否被塑性區(qū)貫通，作為評價巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定影響的定性指標。

46、本發(fā)明提供的一種含巖溶結構的工程邊坡穩(wěn)定性計算評價方法，具有以下有益效果：

47、1、以往邊坡穩(wěn)定性評價主要采用塑性區(qū)指標來評價邊坡開挖受到的卸荷擾動范圍，采用安全系數(shù)法評價邊坡的整體穩(wěn)定性。尚沒有針對邊坡內(nèi)存在巖溶結構時的計算分析和穩(wěn)定性分析方法。

48、本發(fā)明提出了巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定性影響的評價方法，包括采用巖溶和邊坡開挖面周邊巖體松弛深度以及未松弛巖體的強度應力比來定量評價邊坡受巖溶結構影響的局部穩(wěn)定程度。

49、2、在評價指標上，對于距離較近的巖石開挖工程，一般采用塑性區(qū)是否貫通相鄰開挖建筑之間的巖體，來判斷相互影響程度。例如：對于地下洞室工程，若距離較近的洞室之間的巖柱在開挖后，塑性區(qū)被貫通，則認為巖柱穩(wěn)定性受到顯著影響，需要考慮調(diào)整設計方案或增加支護措施。采用塑性區(qū)這一指標，雖然能夠一定程度地量化開挖卸荷對巖體的擾動，但實際上對開挖卸荷的影響存在一定夸大。因為巖體進入塑性狀態(tài)后，仍然存在一定的承載能力。將塑性區(qū)貫通巖柱作為影響巖體局部穩(wěn)定性的標準，過于嚴格，低估了巖體在進入塑性狀態(tài)后的承載能力。

50、因此，本發(fā)明采用巖體卸荷松弛區(qū)來評價開挖卸荷對巖體的影響，將巖體發(fā)生卸荷松弛作為巖體不能繼續(xù)承載的依據(jù)，并將卸荷松弛區(qū)是否貫通作為判斷邊坡局部穩(wěn)定性的指標，更符合巖體開挖卸荷后的力學特性。

51、3、在采用卸荷松弛區(qū)作為指標的基礎上，進一步定義了巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定影響的量化指標 f1，當 f1=1時，即為巖溶結構和邊坡坡表之間的巖體被松弛區(qū)貫通，可知巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定存在顯著影響，應當新增對穿錨索或錨桿支護措施；當 f1>1時，可知巖溶結構和邊坡坡表之間的巖體未被松弛區(qū)貫通，且 f1值越大，巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定性的影響越小。

52、4、為了進一步對未被卸荷松弛區(qū)貫穿的巖體進行穩(wěn)定分析，采用未貫通區(qū)域的巖體強度應力比，來判斷巖溶結構對邊坡局部穩(wěn)定的影響程度。該指標采用了巖石單軸抗壓強度、巖體完整性系數(shù)，以及該部位的最大壓應力來計算。首先，巖石單軸抗壓強度指標正好反應了巖體在兩側卸荷松弛條件下，受力狀態(tài)逐漸由三軸趨向于單軸的實際狀態(tài)；其次，巖體完整性系數(shù)則表征了該部位巖體受到巖體結構的影響程度；最后該部位的最大壓應力數(shù)據(jù)則刻畫了區(qū)域巖體的受力狀態(tài)。進而可采用現(xiàn)有規(guī)范對巖石應力型破壞的分級標準來量化分析未被松弛區(qū)貫穿的巖柱的穩(wěn)定狀態(tài)。