一种边坡锚固布局方法
【专利摘要】本发明公开了一种边坡锚固布局方法，包括以下步骤：在一块边坡上采集边坡上岩体的多组圆柱形样品，通过三轴试验得到该边坡的岩体力学参数值；将边坡坡体分解为由质点构成，根据上述计算得到的岩体力学参数，利用拉格朗日有限差分方法进行边坡的应力场计算，得到每一个质点的应力场值；计算每一个质点的导致该质点处边坡被破坏的最小主应力极小值，即破坏极小值；利用计算得到的破坏极小值，计算边坡中每一个质点的岩体抗剪强度与坡体内部剪应力的比值，即每一个质点的安全系数；将所有安全系数小于国家规范规定的安全系数设计值的质点作为需要进行边坡锚固的布局点。本发明提供了一种能够确定边坡坡体需要加固的关键区域的方法。
【专利说明】一种边坡描固布局方法
【技术领域】
[0001]本发明属于边坡工程【技术领域】，特别涉及一种边坡锚固布局方法。
【背景技术】
[0002]岩体高边坡是山区工程建设中的主要工程载体，尤其是在中国西南地区，高边坡问题几乎成了重大工程建设的首要工程地质和岩体力学问题，控制着工程建设的可行性和运行效益。工程边坡的稳定状况，关系到工程建设的成败与安全，对整个工程的建设可行性，安全性起着重要的作用，并在很大程度上影响着工程投资及使用效益。
[0003]传统的复杂高陡边坡加固方法，是假设边坡坡体内存在一个破坏面，计算破坏面上的安全系数从而指导加固设计[参考各行业规范]。这种方法非常有效但非常保守，最大缺陷是不能识别边坡加固的关键区域，从而不得已之下对整个假设破坏面进行全面加固，造成人力和财力的极大浪费。
[0004]边坡破坏的关键区域是指边坡坡体内各质点安全系数低于设计值的区域。关键区域不破坏，其它区域就不会发生破坏，关键区域是加固的重点。
【发明内容】
[0005]本发明为了克服传统高陡边坡加固方法的缺点，提出了一种能够确定边坡坡体需要加固的关键区域即需要进行边坡锚固的布局点的方法，通过该方法能够减少盲目加固，减少工程投资，而且该方法理论充分，准确性好，能够在边坡坡体加固安全性能完全得到保障的条件下，确定边坡坡体需要加固的布局点。
[0006]本发明提供的技术方案为:
[0007]一种边坡锚固布局方法，包括下列步骤:
[0008]步骤一、在一块边坡上采集边坡上岩体的多组圆柱形样品，每组中不少于3个样品，然后利用三轴试验分别计算每组样品的以下岩体力学参数:弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力、和内摩擦角，将多组样品的岩体力学参数平均值作为该边坡的岩体力学参数值；其中，所述的三轴试验中的三轴指三维空间的x，y和z轴，每组样品中至少有3个样品，才能完成三轴试验。
[0009]步骤二、将边坡坡体分解为由质点构成，根据上述计算得到的弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力、和内摩擦角参数，利用拉格朗日有限差分方法进行边坡的应力场计算，得到每一个质点的应力场值，并且提取出每一个质点的最大主应力O1和最小主应力σ3;
[0010]步骤三、计算每一个质点的导致该质点处边坡被破坏的最小主应力极小值，即破坏极小值σ 3。，计算方法如下:O3c= (O1-Rc) / tg02，其中，O 1是最大主应力，R。是该边坡的岩体力学参数值中的抗压强度，/ 4+Φ / 2，Φ是该边坡的岩体力学参数值中的内摩擦角；其中，所述的导致质点处边坡被破坏的最小主应力极小值即破坏极小值O3。，一个质点处的边坡是否被破坏取决于最大主应力O1和最小主应力O3之间的差值，差值越大，则越容易导致破坏，因此在最大主应力O1的值不变的情况下，最小主应力O3越小，则差值越大，越容易导致该质点处的边坡被破坏，因此破坏极小值σ 3。就是指在不发生破坏的情况下最小主应力σ3能达到的最小值。
[0011]步骤四、利用计算得到的σ 3。，计算边坡中每一个质点的岩体抗剪强度τ。与坡体
内部剪应力τ的比值I = &，即每一个质点的安全系数K，计算方法如下:
τ
_ σ I —σ 3c
[0012]A =-;
σ? — σ3
[0013]步骤五、将所有安全系数K小于国家规范规定的安全系数设计值的质点作为需要进行边坡锚固的布局点。
[0014]优选的是，所述的边坡锚固布局方法，所述步骤一中采集边坡上岩体的圆柱形样品时，可以采集3组样品，每组中的样品数量为5个。
[0015]优选的是，所述的边坡锚固布局方法，根据步骤一中计算得到的边坡的岩体力学参数中的粘聚力、内摩擦角参数和步骤二中提取出的每一个质点的最大主应力、最小主应力数据绘制出每一个质点的莫尔-库伦强度理论图，根据莫尔-库伦强度理论图，计算边坡中每一个质点的岩体抗剪强度τ。和坡体内部剪应力τ，计算方法如下:
= °x 2°~3c cos沴，τ = σι 2 σ3 sin2Θ，θ为每一个质点的剪切面与最大主应力方向
的夹角，0=JI / 4+Φ / 2，由此 可计算出每一个质点的安全系数K。
[0016]优选的是，所述的边坡锚固布局方法，还包括步骤六、根据步骤五中得到的需要进行边坡锚固的布局点对边坡坡体进行锚固，包括下列步骤:(I)根据上述所述的需要进行边坡锚固的布局点的边界，计算边坡坡体锚固的深度；(2)对需要进行边坡锚固的布局点进行锚固时所需要的单位面积锚固力F的计算，计算方法如下:F=(Ktl-K) (O1-O3) / K0(K< Ktl)，其中，Ktl为国家规范规定的安全系数设计值。
[0017]其中，步骤一中所述的三轴试验是三轴压缩试验的简称，是测定岩石强度及变形参数的一种较为完善的方法，三轴试验是通过三轴压缩仪来完成的，三轴压缩仪由压力室、轴向加荷系统、施加周围压力系统、空隙水压力量测系统组成。试验方法的主要步骤如下:将岩石切成圆柱体套在橡胶膜内，放在密封的压力室中，然后向压力室内压入水，使试件在各个方向受到周围压力，并使液压在整个试验过程中保持不变，这时试件内各向的三个主应力都相等，因此不发生剪应力。然后再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向主应力就大于水平向主应力，当竖向主应力逐渐增大时，试件终于受剪而破坏，从而测试出岩石的强度及岩体力学参数。
[0018]步骤二中所述的利用拉格朗日有限差分方法进行边坡的应力场计算是现有技术，FLAC3D是利用拉格朗日有限差分方法进行边坡的应力场计算的分析程序，FLAC3D是由美国Itasca Consulting Group公司为地质工程应用而开发的连续介质显式有限差分计算方法，是目前国际上岩土工程界通用的三维快速拉格朗日分析程序。该计算方法主要适用于模拟计算岩土体材料的力学行为及岩土材料达到屈服极限后产生的塑性流动，对大变形情况应用效果非常好，在全球范围内被广泛使用。边坡应力场的计算是该计算方法的基本功能之一。FLAC3D能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。通过调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构。单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动(大变形模式)。FLAC3D显式拉格朗日算法无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。计算边坡应力场，需要建立边坡FLAC计算模型，必须进行以下三个方面的工作:(I)建立有限差分网格(2)选择本构特性与材料性质(3)设置边界条件与初始条件。完成上述工作后，可以获得边坡初始平衡应力状态，也就是边坡开挖前的原岩应力状态。然后在软件中进行工程开挖，计算出边坡工程开挖后的应力场。
[0019]步骤二中所述的一个边坡坡体能分解成很多质点，质点是对坡体上各位置进行力学分析的最小单位；利用拉格朗日有限差分方法进行边坡的应力场计算时，并不是单独对每一个质点进行计算，因为质点的数量过于庞大，而是在质点中分散选取一些节点，节点就是质点的一部分，把所有质点中选出的一些质点定义为节点。然后只对这些节点进行计算，再通过平均、加权或等同等方法，把这些节点周围的质点的应力场值计算出来。
[0020]本发明所述的边坡锚固布局方法，与传统的方法相比，通过该方法得到了边坡坡体中质点的安全系数的计算公式，将每一个质点的安全系数值与国家规范规定的安全系数做比较，就得到了需要进行边坡锚固的布局点。该方法减少了盲目加固，减少工程投资，而且该方法理论充分，准确性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明所述的边坡锚固布局方法流程示意图。
[0022]图2为本发明中所述的莫尔-库伦强度包络线图。
[0023]图3为本发明中的岩体抗剪强度τ。计算示意图。
[0024]图4为本发明中的边坡坡体上每一个质点破坏极小值σ3。等值线图
[0025]图5为本发明中的边坡坡体上每一个质点的安全系数K等值线图。
[0026]图6为本发明中的安全系数设计值Ktl=L 25时，边坡坡体破坏的需要进行边坡锚固的布局点的等值线图。
[0027]图7为本发明中的安全系数设计值Ktl=L25时，边坡坡体所需锚固力等值线图。【具体实施方式】
[0028]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0029]本发明提供了一种边坡锚固布局方法，【具体实施方式】步骤为:
[0030]步骤一、在一块边坡上采集边坡上岩体的三组圆柱形样品，每组中有5个样品，样品的大小为直径50mmX高80mm，然后利用三轴试验分别计算每组样品的以下岩体力学参数:弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力、和内摩擦角，将三组样品的岩体力学参数平均值作为该边坡的岩体力学参数值；
[0031]步骤二、将边坡坡体分解为由质点构成，根据上述计算得到的弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力、和内摩擦角参数，利用拉格朗日有限差分方法进行边坡的应力场计算，得到每一个质点的应力场值，并且提取出每一个质点的最大主应力O1和最小主应力σ3;根据步骤一中计算得到的边坡的岩体力学参数中的粘聚力、内摩擦角参数和步骤二中提取出的每一个质点的最大主应力、最小主应力数据可以绘制出边坡坡体中每一个质点的莫尔-库伦强度理论图，如图2所示，绘制出质点A和质点B的莫尔-库伦强度理论图。莫尔-库伦强度理论的数学表达式为:
[0032]
【权利要求】
1.一种边坡锚固布局方法，其特征在于，包括下列步骤: 步骤一、在一块边坡上采集边坡上岩体的多组圆柱形样品，每组中不少于3个样品，然后利用三轴试验分别计算每组样品的以下岩体力学参数:弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力、和内摩擦角，将多组样品的岩体力学参数平均值作为该边坡的岩体力学参数值；步骤二、将边坡坡体分解为由质点构成，根据上述计算得到的弹性模量、泊松比、抗压强度、粘聚力、和内摩擦角参数，利用拉格朗日有限差分方法进行边坡的应力场计算，得到每一个质点的应力场值，并且提取出每一个质点的最大主应力O1和最小主应力σ3; 步骤三、计算每一个质点的导致该质点处边坡被破坏的最小主应力极小值，即破坏极小值O 3。，计算方法如下:O3c= (0l-R。)/ tg02，其中，O 1是最大主应力，R。是该边坡的岩体力学参数值中的抗压强度，/ 4+Φ / 2，Φ是该边坡的岩体力学参数值中的内摩擦角； 步骤四、利用计算得到的σ3。，计算边坡中每一个质点的岩体抗剪强度τ。与坡体内部剪应力τ的比值
2.如权利要求1所述的边坡锚固布局方法，其特征在于，所述步骤一中采集边坡上岩体的圆柱形样品时，可以采集3组样品，每组中的样品数量为5个。
3.如权利要求2所述的边坡锚固布局方法，其特征在于，根据步骤一中计算得到的边坡的岩体力学参数中的粘聚力、内摩擦角参数和步骤二中提取出的每一个质点的最大主应力、最小主应力数据绘制出每一个质点的莫尔-库伦强度理论图，根据莫尔-库伦强度理论图，计算边坡中每一个质点的岩体抗剪强度τ。和坡体内部剪应力τ，计算方法如下:τα = σ' cos^ ,τ = Ul 2σ' sin2Θ , θ为每一个质点的剪切面与最大主应力方向的夹角，
4.如权利要求1所述的边坡锚固布局方法，其特征在于，还包括步骤六、根据步骤五中得到的需要进行边坡锚固的布局点对边坡坡体进行锚固，包括下列步骤:(I)根据上述所述的需要进行边坡锚固的布局点的边界，计算边坡坡体锚固的深度；(2)对需要进行边坡锚固的布局点进行锚固时所需要的单位面积锚固力F计算，计算方法如下:F=(Ktl-K)(O1-σ3)/K0 (K < Ktl),其中，Ktl为国家规范规定的安全系数设计值。
【文档编号】G06F17/50GK103488829SQ201310422331
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】伍法权, 胡秀宏, 伍劼 申请人:伍法权