一种岩体结构破坏模式的快速识别方法与流程

1.本发明属于地质灾害、水利、矿山、交通等岩土工程技术领域，具体涉及一种岩体结构破坏模式的快速识别方法，尤其适用于快速判断节理裂隙较为发育地区的岩体破坏情况。


背景技术：

2.岩体的力学性质对工程建设的进行具有显著的影响，尤其是岩体中软弱结构面的存在，不仅会弱化岩体的力学性质，而且容易形成贯通的滑动面，严重威胁工程安全，成为制约我国重大工程建设的关键问题。因此，开展岩体结构破坏模式的快速识别方法是岩石工程领域亟待突破的工程瓶颈。
3.目前对岩体结构破坏形式的判断主要集中在室内试验法和数值模拟法。在室内试验法方面，主要是通过开展室内的比例模型试验来判断岩体结构的破坏形式；在数值模拟法方面，主要是通过连续介质力学方法(有限单元法、有限差分法)或不连续介质力学方法(离散元法、不连续变形分析方法)开展数值试验并判断岩体结构的破坏形式。然而，室内试验法不仅需要花费大量的时间和精力，而且遇到一些复杂的模型可能无法建立合适的室内试验模型，数值模拟法虽然在建模方面具有较大的优势，但是依然需要花费一定的时间，无法满足工程上快速判断的需求。因此，发展一种岩体结构破坏模式的快速识别方法是岩石工程灾害防治的重点和难点。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明要解决的是现有技术中岩体结构破坏形式的判断需要花费大量的时间和精力，无法满足工程上快速判断的需求的问题。
5.为了实现上述目的，本发明涉及：一种岩体结构破坏模式的快速识别方法，包括如下步骤：
6.a、通过地应力测量确定岩体所处环境的最大主应力σ1和最小主应力σ3；
7.b、通过岩石直剪试验确定岩石的粘聚力c和内摩擦角
8.c、取岩体中典型结构面进行结构面回弹试验和剪切试验，确定结构面的回弹强度jcs和基本摩擦角φ；
9.d、统计结构面分布形式，确定结构面粗糙度jrc和结构面法线方向与最大主应力方向的夹角β；
10.e、假定结构面满足barton-bandis屈服准则，基于岩体应力莫尔圆与barton-bandis屈服准则的几何关系，获得结构面破坏判据；
11.f、假定岩石满足mohr-colomb屈服准则，通过判断mohr-colomb屈服准则与应力莫尔圆的交点情况，获得岩石破坏判据；
12.g、将岩石抗剪强度参数代入岩石破坏判据，将结构面物理力学性质参数代入结构面破坏判据，综合判断岩体结构破坏模式。
13.进一步的，所述步骤a中地应力测量方法为应力解除法或水压致裂法。
14.进一步的，所述步骤b通过岩石直剪试验确定岩石的粘聚力c和内摩擦角的方法为：进行3-5组岩石现场原位直剪试验，通过拟合试验结果确定岩石的粘聚力c和内摩擦角
15.进一步的，所述步骤d具体方法为：统计结构面的倾向、倾角及结构面形态，通过将结构面形态与barton提供的典型曲线比较，确定结构面粗糙度jrc，将结构面倾向和倾角转换至主应力平面，确定结构面法线与主应力方向的夹角β。
16.进一步的，所述步骤e方法为：
17.barton-bandis屈服准则表达式为：
[0018][0019]
其中：τ为结构面剪应力，σ为结构面正应力，φ为结构面基本摩擦角，jrc为结构面粗糙度，jcs为结构面回弹强度；
[0020]
为方便计算，令：
[0021][0022]
根据几何关系：
[0023][0024]
代入barton-bandis屈服准则表达式：
[0025][0026]
σtan a＝σtanβ-σ
3 tanβ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0027]
根据弹性力学可知：
[0028][0029]
代入式(5)可得：
[0030][0031][0032]
[(σ
1-σ3)cos2β σ3]tan a＝(σ
1-σ3)cos2βtanβ
ꢀꢀꢀ
(9)
[0033]
(σ
1-σ3)cos2β(tan a-tanβ) σ
3 tan a＝0
ꢀꢀꢀ
(10)
[0034][0035][0036][0037][0038][0039][0040]
令：
[0041][0042]
将(17)代入(16)，令f为结构面破坏的判断方程：
[0043]
则有f＝sin(a-2β) p sin a＝0
ꢀꢀꢀ
(18)
[0044]
因此，barton-bandis屈服准则与应力莫尔圆交点对应的倾角β1和β2为f＝0的两个根，即可将f＝0作为结构面破坏的临界条件：当f》0时，结构面不发生破坏，当f≤0时，结构面发生破坏。
[0045]
进一步的，所述步骤f具体方法为：
[0046]
mohr-colomb屈服准则表达式为：
[0047][0048]
其中，τ为岩石剪应力，σ为岩石正应力，为岩石内摩擦角，c为岩石粘聚力；
[0049]
应力莫尔圆表达式为：
[0050][0051]
若mohr-colomb屈服准则与应力莫尔圆有交点，则岩石会发生屈服破坏，否则岩石不会发生屈服破坏，将式(19)、(20)代入点到直线距离公式：
[0052][0053]
令g为岩石破坏的判断方程：
[0054]
[0055]
因此可将g＝0作为岩石破坏的临界条件：当g》0时，岩石不发生破坏，当g≤0时，岩石发生破坏。
[0056]
进一步的，所述步骤g中综合判断岩体结构破坏模式；具体破坏模式为：
[0057]
(1)当f》0且g》0时，对应“岩体不发生破坏”；
[0058]
(2)当f≤0且g》0时，对应“岩体沿结构面发生破坏”；
[0059]
(3)当f》0且g≤0时，对应“岩体沿岩石发生破坏”；
[0060]
(4)当f≤0且g≤0时，对应“岩体同时沿岩石和结构面发生破坏”。
[0061]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0062]
本发明的岩体结构破坏模式的快速识别方法，针对岩体结构的破坏形式，通过现场试验获取岩体应力状态与岩石、结构面物理力学参数后，通过简单的代数运算即可判断岩体结构的破坏形式，具有操作简便、技术先进、计算精度高、工程适用性强等优点。
附图说明
[0063]
图1为本发明较佳实施例的快速识别方法流程图；
[0064]
图2为本发明较佳实施例的岩体应力状态示意图；
[0065]
图3为岩体应力莫尔圆与barton-bandis屈服准则示意图；
[0066]
图4-7为四种不同工况下采用有限元数值模拟的结果图；
[0067]
表1为不同应力状态及岩体物理力学参数下岩体结构破坏模式判断示意表。
具体实施方式
[0068]
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0069]
下面结合附图对本发明进行进一步说明：一种岩体结构破坏模式的快速识别方法，其实施流程如图1所示，具体实施步骤是：
[0070]
a、通过应力解除法或水压致裂法测量岩体所受地应力，确定岩体所处环境的最大主应力σ1和最小主应力σ3；
[0071]
b、进行3-5组岩石现场原位直剪试验，通过拟合试验结果确定岩石的粘聚力c和内摩擦角
[0072]
c、取岩体中典型结构面进行结构面回弹试验和剪切试验，确定结构面的回弹强度jcs和基本摩擦角φ；
[0073]
d、统计结构面的倾向、倾角及结构面形态，通过将结构面形态与barton提供的典型曲线比较，确定结构面粗糙度jrc，将结构面倾向和倾角转换至主应力平面，确定结构面法线与主应力方向的夹角β；
[0074]
e、假定结构面满足barton-bandis屈服准则，获得结构面破坏判据；破坏判据的获取方法如下：
[0075]
barton-bandis屈服准则表达式为：
[0076][0077]
为方便计算，令：
[0078][0079]
作岩体应力莫尔圆与barton-bandis屈服准则示意图如图3所示；
[0080]
根据几何关系：
[0081][0082]
代入barton-bandis屈服准则表达式
[0083][0084]
σtan a＝σtanβ-σ3tanβ
ꢀꢀꢀ
(5)
[0085]
根据弹性力学可知：
[0086][0087]
代入式(5)可得：
[0088][0089][0090]
[(σ
1-σ3)cos2β σ3]tan a＝(σ
1-σ3)cos2βtanβ
ꢀꢀꢀ
(9)
[0091]
(σ
1-σ3)cos2β(tan a-tanβ) σ3tan a＝0
ꢀꢀꢀ
(10)
[0092][0093][0094][0095]
[0096][0097][0098]
令：
[0099][0100]
则：
[0101]
f＝sin(a-2β) p sin a＝0
ꢀꢀꢀ
(18)
[0102]
因此，barton-bandis屈服准则与应力莫尔圆交点对应的倾角β1和β2为f＝0的两个根，即可将f＝0作为结构面破坏的临界条件：当f》0时，结构面不发生破坏，当f≤0时，结构面发生破坏。
[0103]
f、假定岩石满足mohr-colomb屈服准则，获得岩石破坏判据；破坏判据的获取方法如下：
[0104]
mohr-colomb屈服准则表达式为：
[0105][0106]
应力莫尔圆表达式为：
[0107][0108]
若mohr-colomb屈服准则与应力莫尔圆有交点，则岩石会发生屈服破坏，否则岩石不会发生屈服破坏，将式(19)、(20)代入点到直线距离公式：
[0109][0110]
令：
[0111][0112]
因此可将g＝0作为岩石破坏的临界条件：当g》0时，岩石不发生破坏，当g≤0时，岩石发生破坏。
[0113]
g、将岩石抗剪强度参数代入岩石破坏判据，将结构面物理力学性质参数代入结构面破坏判据，综合判断岩体结构破坏模式；具体表现为：
[0114]
(1)当f》0且g》0时，对应“岩体不发生破坏”；
[0115]
(2)当f≤0且g》0时，对应“岩体沿结构面发生破坏”；
[0116]
(3)当f》0且g≤0时，对应“岩体沿岩石发生破坏”；
[0117]
(4)当f≤0且g≤0时，对应“岩体同时沿岩石和结构面发生破坏”；
[0118]
h、结束岩体结构破坏模式识别。
[0119]
通过上述步骤，即可对岩体结构破坏形式进行判断，将岩体结构的破坏形式分为“不发生破坏”、“沿结构面发生破坏”、“沿岩石发生破坏”、“同时沿岩石和结构面发生破坏”四种情况，如表1为不同应力状态和岩体物理力学参数下对岩体破坏形式的判断，采用本发明提出的岩石判据和结构面判据，在(a)条件下，岩石判据值为g＝18.82》0，结构面判据值为f＝0.07》0，所以岩体“不发生破坏”；在(b)条件下，岩石判据值为g＝18.82》0，，结构面判据值为f＝-0.06《0，所以岩体“沿结构面发生破坏”；在(c)条件下，岩石判据值为g＝-4.78《0，，结构面判据值为f＝0.11》0，所以岩体“沿岩石发生破坏”，在(d)条件下，岩石判据值为g＝-4.78《0，结构面判据值为f＝-0.04《0，所以岩体“同时沿结构面和岩石发生破坏”。
[0120][0121][0122]
为验证本发明方案的准确性，采用phase2有限元软件建立数值模型进行数值模拟验证，(a)、(b)、(c)、(d)对应的四种工况如下所示：
[0123]
如图4，对于工况(a)：岩石和结构面均未发生屈服，岩体不发生破坏；
[0124]
如图5，对于工况(b)：结构面发生屈服(即中间结构面呈深色)，岩石未发生屈服，岩体沿结构面发生破坏；
[0125]
如图6，对于工况(c)：岩石发生剪切屈服(即岩石区域出现小
×
标志)，结构面未发生屈服，岩体沿岩石发生破坏；
[0126]
如图7，对于工况(d)：岩石和结构面均发生屈服，岩体同时沿岩石和结构面发生破坏。这进一步验证了本发明的正确性。
[0127]
因此，本发明通过简单的现场试验获取岩体应力状态与岩石、结构面物理力学参数后，通过代数运算即可判断岩体结构的破坏形式，具有操作简便、计算精度高、工程适用性强等优点。