高围压层状岩体地下洞室纵轴线布置方位的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种高围压层状岩体地下洞室纵轴线布置方位的设计方法，属于岩体力学和地下工程领域，提供一种能发挥围岩自身抵抗变形破坏能力、提升围岩自稳能力和支护效能，且便于量化计算的适用于高围压层状岩体地下洞室纵轴线布置方位的设计方法。本发明专利技术是一种基于层状岩体的三轴加载试验成果，以获取岩体试样的加载主应力方向与岩体层面走向在水平面内的夹角(即加载主应力方位角)随岩体物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、峰值强度、内摩擦角和粘聚力的变化规律，进而综合数据处理后能够得到峰值强度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力相对较大而泊松比相对较小的情况下的加载主应力方位角或者区间，进而用于洞室纵轴线设计布置。布置。布置。

【技术实现步骤摘要】
高围压层状岩体地下洞室纵轴线布置方位的设计方法


[0001]本专利技术涉及岩体力学和地下工程领域，具体为一种高围压层状岩体地下洞室纵轴线布置方位的设计方法。

技术介绍

[0002]高围压地下洞室的稳定问题一直是地下工程领域研究的热点问题，特别是中国西南地区建设的众多大型地下工程，绝大多数赋存于高地应力大埋深复杂地质环境中，围岩稳定问题十分突出，而高围压层状岩体地下洞室是其常见的类型之一。受复杂地形地质条件和研究认识水平制约，目前的高围压地下洞室纵轴线设计基于经验和半定性半定量化设计，如现行的《水电站厂房设计规范》(NB 35011
‑
2016))第3.1.6条规定“主体洞室纵轴线方位宜与岩体主要结构面走向呈较大夹角，在以构造应力为主的高地应力区宜与最大主应力方位呈较小夹角”、“主体洞室纵轴线方位选择宜考虑第二主应力的影响。在第一主应力和第二主应力量值较为接近的情况下，宜兼顾第一、第二主应力，主体洞室纵轴线方位宜与两者中的水平分力较大者成较小夹角、与岩体主要结构面走向呈较大夹角”。但是上述原则均为定性化表述，在实际工程设计时很不好把握。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是提供一种能发挥围岩自身抵抗变形破坏能力、提升围岩自稳能力和支护效能，且便于量化计算的适用于高围压层状岩体地下洞室纵轴线布置方位的设计方法。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：高围压层状岩体地下洞室纵轴线布置方位的设计方法，包括如下步骤：
[0005]第一步、根据地下洞室选址区的地形地质条件，选定至少三处不同位置的岩体试样提取点，每个提取点分别提取以获得若干份岩体试样；
[0006]第二步、对每个提取点所获得的岩体试样开展不同围压、不同加载主应力方位角上的三轴加载试验，以获得每个提取点所对应的岩体试样的应力
‑
应变全过程曲线；
[0007]第三步、变形特性分析，包括弹性模量的分析和泊松比的分析：
[0008]A、根据试验获得的结果应力
‑
应变全过程曲线，整理并获得每个提取点所对应的岩体试样的“弹性模量随围压、加载主应力方位角的变化曲线”；
[0009]B、根据试验获得的结果应力
‑
应变全过程曲线，整理并获得每个提取点所对应的岩体试样的“泊松比随围压、加载主应力方位角的变化曲线”；
[0010]第四步、强度特性分析，包括岩体的粘聚力、内摩擦角和峰值强度分析：
[0011]C、将同一加载主应力方位角的岩体试样在不同围压下三轴加载试验的峰值强度放在同一坐标系下，获得对应加载主应力方位角下的岩体试样的围压与峰值强度的关系曲线，然后再通过摩尔
‑
库伦强度包络线的拟合，整理并获得对应加载主应力方位角下的岩体试样的粘聚力和内摩擦角；然后根据所有加载主应力方位角下的岩体试样的粘聚力和内摩
擦角，整理并获得岩体试样的“粘聚力和内摩擦角分别随加载主应力方位角的变化曲线”以及“岩体的峰值强度随围压、加载主应力方位角的变化曲线”；
[0012]第五步、综合分析
[0013]结合“弹性模量随围压、加载主应力方位角的变化曲线”、“泊松比随围压、加载主应力方位角的变化曲线”、“粘聚力和内摩擦角分别随加载主应力方位角的变化曲线”和“岩体的峰值强度随围压、加载主应力方位角的变化曲线”，综合确定出加载主应力方位角的最优设计值或最优设计值区间。
[0014]第六步、结合洞室施工场区的岩体层面平均走向，最终确定洞室纵轴线的方位与岩体层面走向的实际设计夹角，该实际设计夹角定义为洞室纵轴线的方位在水平面内的法向线与岩体层面走向的夹角，其该实际设计夹角的值位于上述第五步所确定的最优设计夹角或者最优设计夹角区间内，致此即最终确定出洞室纵轴线的布置方位。
[0015]进一步的是：其中不同加载主应力方位角的范围为从0～90
°
中所取出的等差数列。
[0016]进一步的是：其中不同加载主应力方位角包括0
°
、15
°
、30
°
、45
°
、60
°
、75
°
和90
°
。
[0017]进一步的是：其中不同围压的范围为从0～100MPa中取值。
[0018]进一步的是：其中不同围压包括0MPa、10MPa、20MPa、40MPa和60MPa。
[0019]进一步的是：在第六步中，洞室施工场区的岩体层面平均走向为各不同位置的岩体试样提取点处的岩体层面走向的平均值。
[0020]本专利技术的有益效果是：本专利技术是一种基于层状岩体的三轴加载试验成果，以获取岩体试样的加载主应力方向与岩体层面走向在水平面内的夹角(即加载主应力方位角)随岩体物理力学参数，包括弹性模量、泊松比、峰值强度、内摩擦角和粘聚力的变化规律，进而综合数据处理后能够得到物理力学参数较优，即获得峰值强度、弹性模量、内摩擦角、粘聚力相对较大而泊松比相对较小的情况下的加载主应力方位角的最优设计值或最优设计值区间，也即获得洞室纵轴线的方位在水平面内的法向线与岩体层面走向的夹角的最优设计值或最优设计值区间，进而能够据此设计洞室纵轴线的方位，使得开挖后的围岩横向水平应力方向(即与洞室直立高边墙垂直的方向)与岩体层面走向在水平面内的夹角尽可能接近所述的最优设计夹角或者位于最优设计夹角区间内，这样即可充分发挥围岩自身抵抗变形破坏能力、提升围岩自稳能力和支护效能。因为，围岩的应力从方向上可以分解为水平应力和垂直应力，其中垂直应力对洞室纵轴线选择影响较小，水平应力可以分解为沿着轴线方向与垂直轴线方向(即轴线法向)，沿着轴线方向的应力相当于围压，对围岩稳定影响较小；而垂直轴线方向的水平应力(即上述的横向水平应力)相当于试验中的加载主应力，对洞室开挖后的破坏起主导破坏作用，因此，只要这个方向的力满足上述确定的最优角度，就可以充分发挥围岩抵抗横向变形破坏的能力。
附图说明
[0021]图1为岩体试样的加载主应力方位角与岩体层面走向的关系的示意图；
[0022]图2中a～g分别是具体示例中加载主应力方位角为0
°
、15
°
、30
°
、45
°
、60
°
、75
°
和90
°
时的不同围压下应力应变曲线；
[0023]图3为具体示例中弹性模量随围压、加载主应力方位角的变化曲线图；
[0024]图4为具体示例中泊松比随围压、加载主应力方位角的变化曲线图；
[0025]图5中a～g分别是具体示例中加载主应力方位角为0
°
、15
°
、30
°
、45
°
、60
°
、75
°
和90
°
时的围压与峰值强度的关系曲线图和摩尔...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高围压层状岩体地下洞室纵轴线布置方位的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步、根据地下洞室选址区的地形地质条件，选定至少三处不同位置的岩体试样提取点，每个提取点分别提取以获得若干份岩体试样；第二步、对每个提取点所获得的岩体试样开展不同围压、不同加载主应力方位角上的三轴加载试验，以获得每个提取点所对应的岩体试样的应力
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应变全过程曲线；第三步、变形特性分析，包括弹性模量的分析和泊松比的分析：A、根据试验获得的结果应力
‑
应变全过程曲线，整理并获得每个提取点所对应的岩体试样的“弹性模量随围压、加载主应力方位角的变化曲线”；B、根据试验获得的结果应力
‑
应变全过程曲线，整理并获得每个提取点所对应的岩体试样的“泊松比随围压、加载主应力方位角的变化曲线”；第四步、强度特性分析，包括岩体的粘聚力、内摩擦角和峰值强度分析：C、将同一加载主应力方位角的岩体试样在不同围压下三轴加载试验的峰值强度放在同一坐标系下，获得对应加载主应力方位角下的岩体试样的围压与峰值强度的关系曲线，然后再通过摩尔
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库伦强度包络线的拟合，整理并获得对应加载主应力方位角下的岩体试样的粘聚力和内摩擦角；然后根据所有加载主应力方位角下的岩体试样的粘聚力和内摩擦角，整理并获得岩体试样的“粘聚力和内摩擦角分别随加载主应力方位角的变化曲线”以及“岩体的峰值强度随围压、加载主应力方位角的变化曲线”；第五步、综合分析结合“弹性模量随围压、加载主应力方位角的变化曲线”、“泊松比随围压、加载主应力方位角的变化曲线”、“粘聚力和内摩擦角分别随加载主应力方位角的...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯东奇，金伟，谭可奇，张顺利，刘瑞雪，
申请(专利权)人：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：