一种陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法与流程

本发明属于边坡防治工程领域，具体涉及一种陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法。

背景技术：

1、随着西部大开发，大批水利水电工程密集展开，与此相关的高陡边坡大量涌现，其中顺向坡失稳现象较为突出，尤其是位于地质条件复杂、构造运动强烈的西南地区。

2、水利水电工程的修建需要开挖大量岩质边坡。位于高山峡谷地区的水电工程，枢纽区边坡所在工程区域的地质条件复杂、岩层产状多变、岩层厚度不一。在层状岩体中开挖工程边坡，根据岩层与坡面走向所呈夹角的关系，可以划分为顺向坡、斜向坡和横向坡，边坡的稳定性程度一般为横向坡最好、斜向坡次之、顺向坡最差。因此，合理判别顺向坡是岩土工程十分关注的问题，对边坡工程治理设计和工程投资也有重要影响。

3、根据水电工程边坡设计规范，层状结构面倾向坡外，且与坡面走向夹角小于30°为顺向坡。以上方法仅以层状结构面与坡面走向夹角为单一判别依据，忽视了岩体力学参数、边坡安全系数标准的影响，不能科学评价区分顺向坡，可能造成判别出现错误，影响边坡治理设计。例如，当层状岩体边坡的层面较厚、层面强度较高、层面倾角较缓时，即便岩层走向与坡面走向的夹角小于30°，也不一定需要考虑更多的支护措施；而当层状岩体边坡的层面薄、层面强度低、层面倾角较陡时，即便岩层走向与坡面走向的夹角大于30°，也可能需要更多的支护措施才能确保边坡达到预期的稳定程度。可见，目前还缺少一种能够全面考虑顺层岩质边坡多项工程力学特性和边坡设计安全标准的顺向坡定量判别方法。

技术实现思路

1、本发明旨在克服上述现有技术方案存在的缺点，提出一种陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法，该方法可根据边坡岩体力学参数和设计安全标准，确定边坡坡面走向与岩层层面走向的夹角阈值，当实际夹角小于该阈值时，即可判定为顺向坡；可用于定量化判别陡倾顺层岩质高边坡是否为顺向坡，为特高陡边坡坡向布置和支护提供依据。

2、为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

3、一种陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法，包括如下步骤：

4、（1）根据陡倾顺层岩质边坡的地层，选取类似地层开挖试验坑进行层状岩体直剪试验，获得岩体应力-应变全过程曲线；

5、（2）基于步骤（1）的试验成果，实现层面剪切力学参数损伤劣化规律表征；

6、（3）利用内嵌力矩平衡方程和偶应力调节的应力梯度理论，根据步骤（2）所表征的层面剪切力学参数损伤劣化规律，建立考虑弯折偶应力效应和劣化机理的cosserat层状岩体力学模型；

7、（4）根据拟分析边坡的地质条件，建立岩质边坡的计算模型，采用步骤（2）和步骤（3）中的力学参数损伤劣化规律和力学模型，数值仿真不同边坡坡向角条件下的边坡开挖施工过程，采用强度折减法求取岩层与坡面走向所呈不同夹角条件下的安全系数，建立坡面-岩层夹角正切值与边坡安全系数的关系式；

8、（5）根据边坡设计规范确定边坡等级，依据边坡等级确定设计安全系数，代入步骤（4）中的关系式，得到岩层与坡面所呈夹角的阈值；

9、（6）根据步骤（5）所获得的夹角阈值，进行陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别，并对岩质边坡进行针对性支护设计，即：当层面与坡面走向的夹角小于等于该阈值时，认为当前边坡坡段是顺向坡，需要针对顺向坡进行加固处理；当层面走向与坡面走向的夹角大于该阈值时，认为当前边坡坡段不是顺向坡，可不考虑顺向坡加固措施。

10、优选地，所述步骤（2）中实现层面剪切力学参数损伤劣化规律表征的公式如下：

11、

12、式中：是等效塑性应变，，和是材料常数，和是剪切强度参数，和是残余剪切强度。

13、优选地，所述步骤（3）中建立考虑弯折偶应力效应和劣化机理的cosserat层状岩体力学模型，见下式：

14、

15、 式3中， 为应力偏导的张量表达形式，为单位体积力，为偶应力偏导的张量表达形式，为排列算子，为应力，为单位体积力偶；式4中，为局部坐标系下垂直于节理面的正应力，为层面的抗拉强度，为平行于节理面的切向应力，与为节理的粘结力与摩擦角；式5中，为平行节理面的应力，b为岩石层面宽度，为岩石受到的x方向偶应力，为岩石抗拉强度，为正应力，为剪应力，、分别为岩石的内摩擦角和凝聚力。

16、优选地，所述步骤（4）中建立坡面-岩层夹角正切值与边坡安全系数的关系式，如下：

17、                     （6）

18、式中：为边坡安全系数，为坡面与岩层所呈夹角，m、n为待定系数。

19、优选地，所述步骤（5）中获取岩层与坡面所呈夹角的阈值的关系式，如下：

20、                     （7）

21、式中：为设计安全系数，为岩层与坡面所呈夹角的阈值，m、n为待定系数。

22、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

23、（1）本方法综合考虑了边坡岩体的性状和力学参数，能更加科学的判别顺向坡：

24、本方法提出了基于大尺度原位试验的层状岩体力学参数损伤劣化规律表征方法，以及考虑弯折偶应力效应和劣化机理的cosserat层状岩体力学模型，可以综合考虑岩层层面厚度、层面强度和层面倾角，能更加准确模拟陡倾顺向坡的稳定性，进而对顺向坡进行定量化判别，可以更加科学的判别顺向坡。

25、（2）顺向坡定量判别公式考虑了边坡设计安全标准，可以科学指导不同级别的边坡设计：

26、本方法采用强度折减法求取岩层与坡面走向所呈不同夹角条件下的安全系数，建立坡面-岩层夹角正切值与边坡安全系数的关系式。根据边坡规范可以确定不同建筑物边坡的等级，并确定边坡设计安全标准，从而得到不同边坡的顺向坡阈值（岩层与坡面所呈夹角）。以上方法突破了传统规范“坡面走向和岩层走向夹角小于等于30°为顺向坡”的限制，可以根据边坡不同级别确定相应的顺向坡阈值，可以科学指导不同级别的边坡设计。

技术特征：

1.一种陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法，其特征在于：所述步骤（2）中实现层面剪切力学参数损伤劣化规律表征的公式如下：

3.根据权利要求1所述的陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法，其特征在于：所述步骤（3）中建立考虑弯折偶应力效应和劣化机理的cosserat层状岩体力学模型，见下式：

4.根据权利要求1所述的陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法，其特征在于：所述步骤（4）中建立坡面-岩层夹角正切值与边坡安全系数的关系式，如下：

5.根据权利要求1所述的陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法，其特征在于：所述步骤（5）中获取岩层与坡面所呈夹角的阈值的关系式，如下：

技术总结
本发明公开一种陡倾顺层岩质高边坡的顺向坡定量判别方法，属于边坡防治工程领域。采用强度折减法求取岩层与坡面走向所呈不同夹角条件下的安全系数，建立坡面‑岩层夹角正切值与边坡安全系数的关系式。根据边坡规范可以确定不同建筑物边坡的等级，并确定边坡设计安全标准，从而得到不同边坡的顺向坡阈值。以上方法突破了传统规范坡面走向和岩层走向夹角小于等于30°为顺向坡的限制，可以根据边坡不同级别确定相应的顺向坡阈值，可以科学指导不同级别的边坡设计。

技术研发人员：王汉辉,张练,丁刚,张雨霆,王吉亮,张存慧,郭建华,漆祖芳,周华,闫福根
受保护的技术使用者：长江勘测规划设计研究有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19