一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法与流程 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及岩体工程技术领域，具体涉及一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法。背景技术：2.岩体力学特性对于地下洞室开挖、巷道开挖、矿体开采、边坡开挖等岩体工程的设计来说具有非常重要的作用，常规的设计支护强度往往会依据工程所处的岩体的力学特性。虽然种种因素都使得岩土工程师希望能够对岩体的力学特性能够准确的认知，但由多种因素决定的岩体力学特性必然非常复杂，如不同矿物质的组成、岩体中不同结构面的存在使得岩体本身具有复杂性，岩体本身组成物质的复杂性是导致岩体力学特性复杂的一个重要原因，而岩体所赋存环境的复杂性是导致岩体力学特性复杂的另一重要原因，例如岩体所处的地应力状态等。3.岩体力学特性的复杂性使得岩体力学参数的获取到实际工程中的应用将必然是艰难的过程。岩体的尺度与工程范围的尺度表现出明显的尺寸效应；工程中应用现场地质勘察和实验室室内试验获得的参数，将上述所获取资料形成围岩分类系统，通过围岩分类系统对岩体工程地质特性进行综合评价，并为洞室/边坡的开挖支护设计提供依据。围岩分类主要包含3类因素：岩块性质、结构面性质、结构面密度等所决定的岩体本身的力学性质和岩体所处地下水条件、地应力大小等环境因素。对于由岩块性质、结构面性质、结构面密度决定的岩体力学特性来说，主要是指岩体的峰值强度和残余强度。4.目前，岩体强度一般采用基于一些假定的理论强度准则、经验强度准则等，如hoek-brown经验强度准则，hoek也明确指出它的这些代表性成果，虽然在工程界广泛应用，仍然只是一个时期特定条件下的产物，是一种过渡性方法，经验强度准则普遍基于小尺度的室内试验或现场试验统计分析形成，对于工程尺度的强度结果的代表性有待商榷。若能够准确确定大尺度的岩体的峰值强度和残余强度，对工程的设计、施工等都具有非常大的益处。技术实现要素：5.本发明的目的是提供一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法，解决大尺度岩体强度现场试验操作困难、峰值和峰后特征直接获取难度大的问题。6.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：7.一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法，其特征在于包括以下步骤：8.s1：根据岩块室内试验反演岩块的参数；9.s2：基于合成岩体技术生成不同特定地质强度指标gsi的岩体；10.s3：根据生成的不同gsi的岩体，确定大尺度岩体表征单元体rev值；11.s4：开展大尺度岩体强度数值试验；stiff及结构面切向-法向刚度比k-ratio关系，可以建立jcond89与法向刚度n-stiff及结构面切向-法向刚度比k-ratio关系曲线。30.进一步地，s3中，大尺度岩体表征单元体rev值的确定，通过s2中生成的一系列特定gsi的正方体岩体试样，gsi取值范围为10-100，在取值范围内取c种情况，5≤c≤10，其中10-20、20-40、40-60、60-80、80-100每个区间至少取1种；正方体岩体试样边长尺寸取值范围1-30m，在取值范围内取d种情况，5≤d≤10，取值包含1m、30m两种情况,并1/2以上情况在1-10m范围内，组合一共c×d种情况，分别计算这c×d种情况下的岩体单轴抗压强度，绘制c种gsi情况下，岩体强度与岩体尺寸的关系曲线；31.所述的rev值取c种gsi情况下，岩体强度均能稳定的岩体尺寸即为岩体的rev。32.所述s4中，大尺度岩体强度数值试验，对于特定岩性岩体，根据s3确定rev值，建立相应尺寸的立方体试样，取c种gsi值，分别进行单轴及三轴试验，对于三轴试验围压取值范围1-50mpa,在取值范围内取e种情况，5≤e≤10，取值包括1mpa、50mpa两种情况，并1/2以上情况在1-20mpa范围内，组合共计c×e组数值试验，记录数值试验过程中的应力应变曲线过程，曲线记录到应变达到峰值强度时应变的5倍。33.进一步地，所述s5中大尺度岩体峰值强度为应力应变曲线过程的峰值，残余强度为应力应变曲线过程峰值后稳定的最终强度。34.本发明提供的一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法，基于合成岩体技术生成工程尺度的特定gsi的岩体，并进一步考虑岩块特性及结构面特性，开展一系列的岩体强度数值试验，获得大尺度岩体应力应变曲线并确定准确的大尺度岩体的峰值强度和残余强度，弥补了小尺度室内试验可能高估岩体强度的问题，更好地指导工程设计，保障工程安全施工及运行。附图说明35.图1为本发明一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法流程图；36.图2为本发明实施例大理岩岩块室内试验结果；37.图3为本发明实施例大理岩岩块参数反演结果；38.图4为本发明特定地质强度指标gsi岩体生成流程图；39.图5为本发明实施例大理岩切向-法向刚度比k-ratio与岩体模量关系曲线；40.图6为本发明实施例岩块组合离散裂隙网络示意图，其中，201-岩块；202-离散裂隙网络；41.图7为本发明实施例岩体表征单元体rev确定示意图；42.图8为本发明实施例峰值强度数值试验结果。具体实施方式43.本实施例演示了通过本发明的基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法，实现通过数值试验准确获取某工程大理岩大尺度岩体的峰值强度和残余强度。44.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。45.如图1所示，本发明提供的一种基于合成岩体技术的大尺度岩体强度数值试验方法，包括以下步骤：46.s1：根据岩块室内试验反演岩块的参数；47.s2：基于合成岩体技术生成不同特定地质强度指标gsi的岩体；48.s3：根据生成的不同gsi的岩体，确定大尺度岩体表征单元体rev值；49.s4：开展大尺度岩体强度数值试验；50.s5：分析数值试验结果，获得大尺度岩体峰值强度及残余强度。51.图2为本发明实施例大理岩岩块室内试验结果，可见大理岩随着围压的增加表现出了明显的脆-延-塑性转换特性，因此采用hoek-brown本构模型反演大理岩力学参数，根据反演的参数，对岩块进行与室内试验相同的数值试验，单轴、三轴试验均采用相关的试样尺寸及围压，获得不同围压下应力-应变曲线如图3所示，较好地体现了大理岩脆-延-塑性转换特征。52.图4展示了本发明生成特定地质强度指标gsi岩体生成流程，包括如下步骤：53.(1)通过岩块与离散裂隙网格组合生成对应rqd的岩体；54.(2)在经验取值范围内假设一jcond89，jcond89取值根据gsi需要拟定，计算出相应的大理岩gsi值；55.(3)结合图3中反演的岩块模量ei，岩块模量ei为图3中围压0mpa时，峰值前曲线斜率，计算出理论的岩体模量erm及泊松比v，计算公式如下：[0056][0057]v＝0.32-0.0015gsi[0058](4)假定的jcond89可以快速计算出结构面摩擦角sf，假设法向刚度n-stiff取值范围为1-1000gpa/m，分别取1、5、10、50、100、500、1000gpa/m共计7种；结构面切向-法向刚度比k-ratio为0.1-1.0，取0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、1.0共计6种；两两组合共计42种情况；[0059](5)分别计算步骤(4)中所述的42种情况下的岩体模量erm和泊松比v；[0060](6)对比步骤(5)计算值和步骤(3)理论值，根据差值计算获得法向刚度n-stiff和结构面切向-法向刚度比k-ratio；[0061](7)重复步骤(2)-(6)，重复进行jcond89取值，获得新的gsi，并计算erm及v，进行42种情况下岩体模量erm和泊松比v计算，找出多个jcond89与法向刚度n-stiff及结构面切向-法向刚度比k-ratio关系，建立岩体模量erm和泊松比v与法向刚度n-stiff和结构面切向-法向刚度比k-ratio的关系。[0062]图5所示的为大理岩切向-法向刚度比k-ratio与岩体模量erm关系曲线，根据图4的操作步骤获得。[0063]图6为大理岩岩块组合离散裂隙网络生成相应的岩体，在步骤(2)中，生成岩体的gsi的描述采用如下公式：[0064][0065]式中，rqd为岩石质量指标；jcond89为结构面状态参数，经验取值范围一般为0-30，与结构面粗糙度、结构面蚀变情况相关。[0066]rqd与岩体体积节理数jv存在如下关系：[0067]rqd＝110-2.5jv[0068]岩体体积节理数jv表示岩体单位体积内的节理数，可以根据岩体体积v与离散裂隙网络结构面数量n计算获得，即：[0069]jv＝n/v[0070]结构面状态参数jcond89，通过结构面摩擦角sf、法向刚度n-stiff和结构面切向-法向刚度比k-ratio三个参数体现。[0071]图7所示的为大理岩表征单元体rev的确定过程，gsi值取10、30、50、70、90共计5种，岩体立方体边长尺寸取1、3、5、7、10、20、30m共计7种，组合一共35种情况，分别计算该35种情况下的岩体的单轴抗压强度，绘制5种gsi情况下，岩体强度与岩体尺寸的关系曲线，可见在7m时大理岩岩体强度均能稳定，因此相应的rev为7m。[0072]图8所示的为大理岩gsi＝30时，多个围压条件下数值试验结果，如围压在20mpa时，相应的峰值强度约为38mpa。根据国际上广泛使用的hoek-brown强度准则计算获得岩体峰值强度为62mpa。可见，用大尺度岩体数值试验获得的岩体峰值强度进行工程设计更为安全。[0073]此外利用数值模拟方法，岩体试样尺度可以做到30m甚至更大，该尺度在工程现场是难以操作的。[0074]最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。









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