一种爆破开挖作用下含后缘裂隙岩质边坡稳定性预测方法技术

本发明专利技术提供一种爆破开挖作用下含后缘裂隙岩质边坡稳定性预测方法，利用断裂力学理论，给出了爆破开挖作用下边坡后缘裂隙尖端应力强度因子计算公式，考虑分支裂隙扩展长度，构建了边坡岩体裂隙扩展贯通力学模型，建立了边坡稳定性系数计算方法，提高了此类边坡稳定性计算的科学性与准确性，且计算方法简单快速，具有重要的工程适用价值。包括：步骤1：地质模型概化；步骤2：开挖卸荷作用下后缘裂隙尖端应力强度因子求解；步骤3：求解爆破作用下后缘裂隙尖端应力强度因子；步骤4：爆破开挖作用下后缘裂隙尖端应力强度因子求解；步骤5：爆破开挖坡体后缘裂隙扩展长度计算；步骤6：爆破开挖作用下含后缘裂隙边坡安全系数推导。作用下含后缘裂隙边坡安全系数推导。作用下含后缘裂隙边坡安全系数推导。

【技术实现步骤摘要】
一种爆破开挖作用下含后缘裂隙岩质边坡稳定性预测方法


[0001]本专利技术涉及边坡稳定性研究
，特别涉及一种爆破开挖作用下含后缘裂隙岩质边坡稳定性预测方法。

技术介绍

[0002]金属露天矿边坡在爆破开挖等外界荷载作用下，会在边坡坡顶和局部平台顶部形成一定规模张拉裂隙，这在实际工程中较为常见。进一步的岩体开挖所引发的调整应力和卸荷扰动会使这些张拉裂隙不断扩展，进而导致边坡突发性失稳，给周围人员生命及财产造成极大威胁。此类岩质边坡的特点为在边坡前缘存在近水平或缓倾坡外的结构面(常为层面或软弱夹层)，后缘存在张拉裂隙，前缘缓倾结构面和后缘裂隙之间的区域对边坡稳定性起控制作用。目前评价含后缘裂隙岩质边坡稳定性常采用室内模型试验和数值模拟方法，如文献“三段式岩石滑坡的锁固段破坏模式及演化机制.岩土工程学报,2018,40(9):1601
‑
1609”和文献
““
挡墙溃屈”型滑坡锁固段抗滑稳定性研究.岩土工程学报,2016,38(9):1734
–
1740”。但是数值模拟建模的复杂、计算时间长和参数难确定等导致工程应用较为困难，且缺乏针对含后缘裂隙岩质边坡在爆破开挖作用下的理论研究。
[0003]为解决上述问题，需要一种考虑爆破和开挖卸荷共同作用的含后缘裂隙岩质边坡稳定性简易预测方法。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
提出的技术问题，本专利技术提供一种爆破开挖作用下含后缘裂隙岩质边坡稳定性预测方法，利用断裂力学理论，给出了爆破开挖作用下边坡后缘裂隙尖端应力强度因子计算公式，考虑分支裂隙扩展长度，构建了边坡岩体裂隙扩展贯通力学模型，建立了边坡稳定性系数计算方法，提高了此类边坡稳定性计算的科学性与准确性，且计算方法简单快速，具有重要的工程适用价值。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0006]一种爆破开挖作用下含后缘裂隙岩质边坡稳定性预测方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：地质模型概化，建立边坡滑动力学模型；确定相关参数，所述相关参数包括后缘裂隙与水平方向的夹角α、下部裂隙与水平方向的夹角β、滑体重量W、滑体在平行于下部裂隙方向的力W
t
、滑体在垂直于下部裂隙方向的力W
n
、后缘裂隙的切向力W
τ
、后缘裂隙的法向力W
σ
、γ为岩体容重、V为滑体体积、T为开挖卸荷拉应力；
[0008]步骤2：开挖卸荷作用下后缘裂隙尖端应力强度因子求解；包括：
[0009]1)建立边坡后缘裂隙扩展概化模型，确定相关参数，所述相关参数包括后缘裂隙未贯通岩体及其上部岩体的平均高度h、裂隙垂直高度z、滑体重心到裂隙尖端水平距离a、滑体重心到裂隙尖端垂直距离b、为滑体和卸荷拉应力对裂隙尖端产生的弯矩M；
[0010]2)求解拉应力强度因子、剪应力强度因子和弯矩在后缘裂隙尖端应力强度因子K
Ι1
、K
Ι2
和K
ΙΙ3
；
[0011]3)求解开挖卸荷作用下后缘裂隙尖端I型应力强度因子和II型应力强度因子求解K
Ι卸
和K
ΙΙ卸
；
[0012]步骤3：求解爆破作用下后缘裂隙尖端I型应力强度因子和II型应力强度因子K
Ι动
(t)和K
II动
(t)；
[0013]步骤4：爆破开挖作用下后缘裂隙尖端应力强度因子求解；根据应力强度因子叠加原理，将步骤2和步骤3求解结果相加便可得爆破开挖作用下后缘裂隙尖端度因子；
[0014]步骤5：爆破开挖坡体后缘裂隙扩展长度计算；在滑体自重应力、爆破荷载和卸荷拉应力作用下，分支裂隙尖端的应力强度因子K
I
(l)随着裂隙长度增加而增加，当增加到K
I
(l)＝K
ΙC
时，分支裂隙不稳定扩展；随着边坡岩体内应力场的调整，当分支裂隙尖端的应力强度因子K
I
(l)＜K
ΙC
时，裂隙停止扩展；K
ΙC
为岩体断裂韧度，于是获得分支裂隙扩展的长度为l；
[0015]步骤6：爆破开挖作用下含后缘裂隙边坡安全系数推导；确定相关参数，所述相关参数包括岩体的粘聚力c和内摩擦角和已扩展裂隙面的粘聚力c
i
和内摩擦角和下部裂隙面上的粘聚力c
j
和内摩擦角和采用极限平衡原理计算滑体重量W沿滑面的力W
T
和F
T
，W
T
为滑体重量W沿滑面和垂直滑面的分量，F
T
为在自重力作用下滑面AD上的所能承受的最大剪切力，则考虑爆破开挖作用下裂隙扩展长度的的边坡安全系数K的表达式为K＝F
T
/W
T
；当K＞1时，边坡处于稳定状态；当K＜1时，边坡处于不稳定状态；当K＝1时，边坡处于极限平衡状态。
[0016]进一步地，所述步骤1中，建立边坡滑动力学模型，随着开挖岩体表面的法向应力卸荷至0，而卸荷使岩体产生差异回弹变形，这种变形使坡体内产生方向指向开挖面的开挖卸荷拉应力T，在开挖卸荷拉应力T和滑体自重应力共同作用下，后缘裂隙起裂扩展；
[0017]W
t
表示滑体在平行于下部裂隙方向的力，W
n
表示滑体在垂直于下部裂隙方向的力，将其分解到边坡后缘裂隙切向和法向的力分别为：
[0018]W
t
＝Wsinβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0019]W
n
＝Wcosβ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]W
τ
＝W
t
cos(α
‑
β)+W
n
sin(α
‑
β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]W
σ
＝W
t
sin(α
‑
β)
‑
W
n
cos(α
‑
β)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0022]W＝γV
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0023]所述开挖卸荷拉应力T的求解方法为：
[0024]开挖卸荷拉应力T的取值通过室内真三轴卸荷试验近似获得，将现场裂隙试样加载到原岩应力状态，开始侧向卸荷，随着卸载的持续进行，开挖卸荷拉应力T在不断变化，通过式T＝σ0‑
σ
t
求得，其中σ0为开始卸载时刻的水平应力值，σ
t
为在试本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种爆破开挖作用下含后缘裂隙岩质边坡稳定性预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：地质模型概化，建立边坡滑动力学模型；确定相关参数，所述相关参数包括后缘裂隙与水平方向的夹角α、下部裂隙与水平方向的夹角β、滑体重量W、滑体在平行于下部裂隙方向的力W
t
、滑体在垂直于下部裂隙方向的力W
n
、后缘裂隙的切向力W
τ
、后缘裂隙的法向力W
σ
、γ为岩体容重、V为滑体体积、T为开挖卸荷拉应力；步骤2：开挖卸荷作用下后缘裂隙尖端应力强度因子求解；包括：1)建立边坡后缘裂隙扩展概化模型，确定相关参数，所述相关参数包括后缘裂隙未贯通岩体及其上部岩体的平均高度h、裂隙垂直高度z、滑体重心到裂隙尖端水平距离a、滑体重心到裂隙尖端垂直距离b、为滑体和卸荷拉应力对裂隙尖端产生的弯矩M；2)求解拉应力强度因子、剪应力强度因子和弯矩在后缘裂隙尖端应力强度因子K
Ι1
、K
Ι2
和K
ΙΙ3
；3)求解开挖卸荷作用下后缘裂隙尖端I型应力强度因子和II型应力强度因子求解K
Ι卸
和K
ΙΙ卸
；步骤3：求解爆破作用下后缘裂隙尖端I型应力强度因子和II型应力强度因子K
Ι动
(t)和K
II动
(t)；步骤4：爆破开挖作用下后缘裂隙尖端应力强度因子求解；根据应力强度因子叠加原理，将步骤2和步骤3求解结果相加便可得爆破开挖作用下后缘裂隙尖端度因子；步骤5：爆破开挖坡体后缘裂隙扩展长度计算；在滑体自重应力、爆破荷载和卸荷拉应力作用下，分支裂隙尖端的应力强度因子K
I
(l)随着裂隙长度增加而增加，当增加到K
I
(l)＝K
ΙC
时，分支裂隙不稳定扩展；随着边坡岩体内应力场的调整，当分支裂隙尖端的应力强度因子K
I
(l)＜K
ΙC
时，裂隙停止扩展；K
ΙC
为岩体断裂韧度，于是获得分支裂隙扩展的长度为l；步骤6：爆破开挖作用下含后缘裂隙边坡安全系数推导；确定相关参数，所述相关参数包括岩体的粘聚力c和内摩擦角和已扩展裂隙面的粘聚力c
i
和内摩擦角和下部裂隙面上的粘聚力c
j
和内摩擦角和采用极限平衡原理计算滑体重量W沿滑面的力W
T
和F
T
，W
T
为滑体重量W沿滑面和垂直滑面的分量，F
T
为在自重力作用下滑面AD上的所能承受的最大剪切力，则考虑爆破开挖作用下裂隙扩展长度的的边坡安全系数K的表达式为K＝F
T
/W
T
；当K＞1时，边坡处于稳定状态；当K＜1时，边坡处于不稳定状态；当K＝1时，边坡处于极限平衡状态。2.根据权利要求1所述的一种爆破开挖作用下含后缘裂隙岩质边坡稳定性预测方法，其特征在于，所述步骤1中，建立边坡滑动力学模型，随着开挖岩体表面的法向应力卸荷至0，而卸荷使岩体产生差异回弹变形，这种变形使坡体内产生方向指向开挖面的开挖卸荷拉应力T在开挖卸荷拉应力T和滑体自重应力共同作用下后缘裂隙起裂扩展；W
t
表示滑体在平行于下部裂隙方向的力，W
n
表示滑体在垂直于下部裂隙方向的力，将其分解到边坡后缘裂隙切向和法向的力分别为：W
t
＝Wsinβ
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(1)W
n
＝Wcosβ
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(2)W
τ
＝W
t
cos(α
‑
β)+W
n
sin(α
‑
β)
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(3)
W
σ
＝W
t
sin(α
‑
β)
‑
W
n
cos(α
‑
β)
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(4)W＝γV
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(5)所述开挖卸荷拉应力T的求解方法为：开挖卸荷拉应力T的取值通过室内真三轴卸荷试验近似获得，将现场裂隙试样加载到原岩应力状态，开始侧向卸荷，随着卸载的持续进行，开...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建明，王欢，姚强，陈冲，崔新男，王怀远，岳星彤，潘博，
申请(专利权)人：鞍钢集团北京研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：