一种各向异性岩体质量分级方法及系统与流程

本发明涉及岩体力学领域，具体涉及一种各向异性岩体质量分级方法及系统。

背景技术：

国家基础设施建设，如铁路、高速公路、大型水电站、矿山、军事工程和大量深部工程等，一半以上是岩体工程。岩体质量分级是岩体工程设计的基本依据。

目前世界各国多采用rmr、q和gsi等方法进行岩体质量分级。我国各行业技术标准和国家标准中岩体质量分级方法也多借鉴上述方法的基本思路建立。

按照上述方法，岩体质量一般分为五级，i级最好，v级最差。工程设计中将按照这个质量分级，采用各级岩体对应的工程加固措施，进行标准化设计，以保证工程安全。因此，岩体质量分级的准确性就决定了工程设计的安全可靠性。

由此可见，建立准确反映岩体工程力学特性的岩体质量分级方法，是岩体工程建设的迫切需求。

总体说来，岩体质量分级方法还是一种经验方法。它通过考虑各种地质因素的不利作用及作用程度，对岩石的强度性质进行不同程度的折减，粗略体现岩体质量的好坏。

但是，目前各类岩体质量分级方法不能反映岩体力学性质在方向上的差异性，只是一种各向同性折减方法。因此这类方法不能适应强烈各向异性岩体(如广泛分布的层状岩体)中的工程设计，常常导致设计不合理或工程失败。许多深埋铁路隧道中出现严重的非对称大变形，导致工程结构严重破坏，就是由于采用了对称的结构设计去抵抗非对称大变形所致。

因此，岩体质量分级不仅要反映岩体力学性质的好坏，还必须体现岩体性质的各向异性特性。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种各向异性岩体质量分级方法及系统，以科学的地质和力学理论为基础，通过计算出岩体完全各向异性弹性模量，建立既客观反映岩体质量优劣，又体现其各向异性特性；本发明将提供全空间方向岩体质量分级赤平投影图，为可靠的工程设计提供科学技术支撑。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种各向异性岩体质量分级方法，包括如下步骤：

s1、以现场实测的岩体结构面网络数据、结构面摩擦强度数据，以岩石的弹性模量与泊松比的实测或经验数据为基础，通过以下公式计算岩体全空间方向弹性模量em：

其中：e、v为岩石的弹性模量和泊松比，m为结构面组数，λ为某组结构面的法向密度(条/m)，a为该组结构面的平均半径(m)，n1为结构面法线方向余弦在荷载方向的值，为结构面上的剩余剪应力比值系数，τ为结构面上的剪应力(mpa)，c为结构面上的粘聚力，单位为mpa，对于结构面，值为0；φ为摩擦角(°)，为系数；由于式中带有结构面法线方向余弦n1，因此em的值随空间方向而变化，表现出各向异性。

s2、通过以下公式将获得的em换算成岩体质量的rmr分级指标，得到级别值，并计算出的岩体质量分级全空间方向数据，绘制全空间赤平投影图；

s3、通过下式计算出岩体质量级别的各向异性比、岩体质量弱化系数：

式中：岩体质量弱化系数ζe为岩体全方向弹性模量的均值与岩石弹性模量之比，用于反映岩体的弹性模量相对于岩石弹性模量的弱化比例；而各向异性比χe为岩体的最小弹性模量与最大弹性模量值之比，用于反映岩体弹性模量的极值差异性。

本发明还提供了一种各向异性岩体质量分级系统，包括

岩体全空间方向弹性模量计算模块，用于通过预设的公式进行岩体全空间方向弹性模量em的计算；

岩体质量的rmr分级指标生成模块，用于通过预设的公式将岩体全空间方向弹性模量计算模块所得的em换算成岩体质量的rmr分级指标，得到级别值，并计算出的岩体质量分级全空间方向数据；

岩石全空间赤平投影图绘制模块，用于根据所得的岩体质量分级全空间方向数据进行岩石全空间赤平投影图的绘制；

岩体质量级别的各向异性比计算模块，用于通过预设的公式计算出岩体全方向弹性模量的均值与岩石弹性模量之比；

岩体质量弱化系数计算模块，用于通过预设的公式计算出岩体的最小弹性模量与最大弹性模量值之比。

优选地，所述岩体全空间方向弹性模量计算模块通过以下公式进行全空间方向弹性模量em的计算：

其中：e、v为岩石的弹性模量和泊松比，m为结构面组数，λ为某组结构面的法向密度(条/m)，a为该组结构面的平均半径(m)，n1为结构面法线方向余弦在荷载方向的值；为结构面上的剩余剪应力比值系数，τ为结构面上的剪应力，单位mpa；c为结构面上的粘聚力，单位为mpa，对于结构面，值为0；φ为摩擦角，单位°；为系数。

优选地，所述岩体质量的rmr分级指标生成模块通过以下公式获得的em换算成岩体质量的rmr分级指标的：

优选地，所述岩体质量级别的各向异性比计算模块，用于通过以下的公式计算出岩体全方向弹性模量的均值与岩石弹性模量之比：

其中，ζe为岩体质量弱化系数。

优选地，所述岩体质量弱化系数计算模块通过以下的公式计算出岩体的最小弹性模量与最大弹性模量值之比：

其中，χe为各向异性比。

本发明具有以下有益效果：

1、可以根据简单轻便的岩体结构面测量和结构面摩擦角简易测量，通过计算获得岩体的全空间方向弹性模量。只需要进行若干组岩体弹性模量现场测试作为校核，即可将计算结果用于岩体质量分级。由此可以大幅度减少岩体现场测试工作。

2、由本发明做出的岩体质量分级客观反映了岩体力学性质的各向异性，无需进行各向异性矫正。以此为基础进行岩体工程结构设计，可有针对性地控制岩体非对称大变形带来的工程结构破坏，保证工程安全。

附图说明

图1为本发明一种各向异性岩体质量分级方法的流程图。

图2为本发明实施例中的岩体的全空间方向弹性模量的赤平投影图和切面图。

图3为以图2为基础的全空间方向岩体质量分级赤平投影图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种各向异性岩体质量分级方法，包括如下步骤：

s1、以现场实测的岩体结构面网络数据、结构面摩擦强度数据，以岩石的弹性模量与泊松比的实测或经验数据为基础，通过以下公式计算岩体全空间方向弹性模量em：

其中：e、v为岩石的弹性模量和泊松比，m为结构面组数，λ为某组结构面的法向密度(条/m)，a为该组结构面的平均半径(m)，n1为结构面法线方向余弦在荷载方向的值，为结构面上的剩余剪应力比值系数，τ为结构面上的剪应力(mpa)，c为结构面上的粘聚力，单位为mpa，对于结构面，值为0；φ为摩擦角(°)，为系数；由于式中带有结构面法线方向余弦n1，因此em的值随空间方向而变化，表现出各向异性。

s2、通过以下公式将获得的em换算成岩体质量的rmr分级指标，得到级别值，并计算出的岩体质量分级全空间方向数据，绘制全空间赤平投影图；

s3、通过下式计算出岩体质量级别的各向异性比、岩体质量弱化系数：

式中：岩体质量弱化系数ζe为岩体全方向弹性模量的均值与岩石弹性模量之比，用于反映岩体的弹性模量相对于岩石弹性模量的弱化比例；而各向异性比χe为岩体的最小弹性模量与最大弹性模量值之比，用于反映岩体弹性模量的极值差异性。

本发明实施例还提供了一种各向异性岩体质量分级系统，包括

岩体全空间方向弹性模量计算模块，用于通过预设的公式进行岩体全空间方向弹性模量em的计算；

岩体质量的rmr分级指标生成模块，用于通过预设的公式将岩体全空间方向弹性模量计算模块所得的em换算成岩体质量的rmr分级指标，得到级别值，并计算出的岩体质量分级全空间方向数据；

岩石全空间赤平投影图绘制模块，用于根据所得的岩体质量分级全空间方向数据进行岩石全空间赤平投影图的绘制；

岩体质量级别的各向异性比计算模块，用于通过预设的公式计算出岩体全方向弹性模量的均值与岩石弹性模量之比；

岩体质量弱化系数计算模块，用于通过预设的公式计算出岩体的最小弹性模量与最大弹性模量值之比。

所述岩体全空间方向弹性模量计算模块通过以下公式进行全空间方向弹性模量em的计算：

其中：e、v为岩石的弹性模量和泊松比，m为结构面组数，λ为某组结构面的法向密度(条/m)，a为该组结构面的平均半径(m)，n1为结构面法线方向余弦在荷载方向的值；为结构面上的剩余剪应力比值系数，τ为结构面上的剪应力，单位mpa；c为结构面上的粘聚力，单位为mpa，对于结构面，值为0；φ为摩擦角，单位°；为系数。

所述岩体质量的rmr分级指标生成模块通过以下公式获得的em换算成岩体质量的rmr分级指标的：

所述岩体质量级别的各向异性比计算模块，用于通过以下的公式计算出岩体全方向弹性模量的均值与岩石弹性模量之比：

其中，ζe为岩体质量弱化系数。

所述岩体质量弱化系数计算模块通过以下的公式计算出岩体的最小弹性模量与最大弹性模量值之比：

其中，χe为各向异性比。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。