巖體開挖卸荷后圍巖變異的時(shí)間效應(yīng)研究

楊金金，張　軍

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

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巖體開挖卸荷后圍巖變異的時(shí)間效應(yīng)研究

楊金金，張軍

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

摘要：通過測試巖體開挖卸荷后不同時(shí)間間隔內(nèi)洞室圍巖的彈性波波速，分析波速變異速率的變化規(guī)律，研究巖體開挖卸荷后洞室圍巖性狀變異隨時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)洞室圍巖彈性波波速進(jìn)行反算，證明巖體開挖卸荷后性狀變異時(shí)間效應(yīng)理論的可行性。經(jīng)過研究得出結(jié)論：隨著時(shí)間的延續(xù)，開挖卸荷作用逐漸減弱，洞室圍巖的彈性波波速逐漸降低，波速變異速率也越來越小，至15 a時(shí)，波速變異速率基本不變，洞室圍巖性狀變異也趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：洞室圍巖；開挖卸荷；彈性波波速；性狀變異

地下工程建設(shè)過程中，巖體受開挖卸荷因素的影響會(huì)產(chǎn)生地應(yīng)力重分配和釋放,在開挖面一定深度范圍內(nèi)，巖體將出現(xiàn)應(yīng)力釋放產(chǎn)生的松弛帶,這會(huì)使成洞后圍巖物理力學(xué)性狀出現(xiàn)不同程度的變異，而且這種變異難以用理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)方法獲得。由于彈性波測試的方法具有測試精度高、速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),并在實(shí)際工程中取得了顯著的效果，因此許多研究者都選用彈性波波速這一參數(shù)來研究巖體開挖卸荷后圍巖性狀的變化規(guī)律。如李曉等[1]通過現(xiàn)場測試巖體彈性波波速來劃分松弛帶厚度，并分析了松弛帶內(nèi)巖體力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律；米德才等[2]發(fā)現(xiàn)百色大壩壩基開挖后表部出現(xiàn)一定厚度的低波速松弛及巖體破碎現(xiàn)象，對(duì)其采取加固措施后進(jìn)行了巖體彈性波波速檢測，發(fā)現(xiàn)巖體彈性波波速恢復(fù)且接近正常。針對(duì)三峽工程永久船閘高邊坡巖體，石安池等[3]采用鉆孔聲波手段研究其卸荷松弛特征，根據(jù)波速的時(shí)空變化特征判定松弛帶厚度；肖國強(qiáng)等[4]研究其因開挖卸荷致使應(yīng)力重分布進(jìn)而引起卸荷松弛的規(guī)律，并用聲波檢測劃分卸荷松弛厚度；廖偉等[5]通過聲波測試，分析了高地應(yīng)力條件下彈性波波速隨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)而認(rèn)識(shí)到開挖引起的巖體卸荷松弛深度、程度等隨時(shí)間的變化趨勢。丁梧秀等[6]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：巖體開挖成洞以后圍巖性狀的變異是隨時(shí)間變化的，這種變異程度可以通過波速下降的幅度來研究，而波速變異的速率則表征了單位時(shí)間內(nèi)波速的變化值。

本文通過對(duì)不同開挖卸荷時(shí)間的洞室圍巖波速變化情況的分析，研究巖體開挖卸荷后洞室圍巖性狀變異的時(shí)間效應(yīng)。因?yàn)槭┕に矶礉M足不了圍巖性狀變異過程的研究，所以選擇了某壩基巖體的探洞進(jìn)行該項(xiàng)研究工作，測點(diǎn)位置一般為I類、II類巖體。

1洞室圍巖彈性波波速統(tǒng)計(jì)與分析

波速變異速率是指波速在不同的時(shí)間間隔內(nèi)的變化，以彈性波縱波速度為依據(jù)。洞室圍巖彈性波波速測試主要是對(duì)不同洞室和同一洞室在不同深度上進(jìn)行。某壩址探洞不同時(shí)間間隔的圍巖彈性波波速測試結(jié)果如表1所示。

對(duì)表1進(jìn)行分析，可以得出以下規(guī)律:

(1)成洞時(shí)間相同的同一洞室在不同測段測得的波速不全相等，有的甚至相差很多，這使得在相同的時(shí)間間隔里波速變異速率也不同，有的波速變異速率接近相等，有的則差異很大，這是因?yàn)椴煌瑴y段的巖體受開挖卸荷的影響程度不同。

(2)同一洞室同一測段內(nèi)測得的波速隨時(shí)間的推移逐漸減小，相隔的時(shí)間越久，測得的波速越小，波速變異速率也在不斷減小，最后趨于穩(wěn)定。

(3)洞室圍巖測試的波速最大變異速率為30%左右，為開挖成洞后半年內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，此時(shí)圍巖受開挖卸荷作用很明顯，波速最小變異速率為1.0%左右，為成洞后15 a左右的波速變異速率，說明此時(shí)圍巖為基本穩(wěn)定狀態(tài)。

表1　某壩址探洞圍巖不同年份波速及其波速變異速率統(tǒng)計(jì)表

2洞室圍巖彈性波波速變異速率統(tǒng)計(jì)與分析

由表1中的實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算出在不同的時(shí)間間隔內(nèi)的圍巖波速平均變異速率N(見表2)。

表2　成洞圍巖波速變異速率與相隔年份統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，可得圍巖波速平均變異速率N與時(shí)間間隔d的關(guān)系為

N=10.806d-0.847 3

(1)

R=0.973 2

由式(1)可知：圍巖波速平均變異速率與時(shí)間間隔d呈冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R近似為1，說明二者的相關(guān)性很好，圍巖性狀變異過程有很好的規(guī)律性，這種規(guī)律的揭示對(duì)開挖卸荷后巖體的物理力學(xué)性狀變化的認(rèn)識(shí)是有意義的，其相關(guān)曲線如圖1所示。

圖1　成洞圍巖波速平均變異速率與時(shí)間間隔的關(guān)系

通過對(duì)圖1的分析，得出以下規(guī)律：

(1)從整體上看，研究區(qū)內(nèi)巖體開挖后圍巖性狀(波速)變異的最大速率近似為30%，最小速率近似為1.0%，且變異速率是逐漸下降的，最后趨于穩(wěn)定。

(2)從曲線的形態(tài)上看，在最初的0～3 a內(nèi)，曲線形狀近似一條垂線，說明圍巖性狀(波速)變異速率很大，最大在開挖初期，變異速率為30%左右，這是因?yàn)樵趲r體開挖的起始階段是應(yīng)力釋放最快的時(shí)期。3 a以后，圍巖性狀(波速)變異速率逐漸趨于平穩(wěn)，但曲線形狀并非是一條完整直線，這是因?yàn)閹r體的回彈、卸荷作用使應(yīng)力釋放逐漸減弱。到9 a以后，圍巖性狀(波速)變異速率為1.5%左右，至15 a左右時(shí)，曲線基本為一條直線，此時(shí)變異速率只有1.0%左右，圍巖性狀基本穩(wěn)定，直至最后在新的應(yīng)力條件下處于新的平衡，這是因?yàn)閹r體表面已完全松弛，其性狀不再變化。

綜上所述，通過分析波速變異速率的變化規(guī)律，可知巖體開挖后若干年內(nèi)圍巖性狀是逐漸變化的，故所測參數(shù)也是變化的。但是由于測得的參數(shù)是不斷變化的，這對(duì)巖體的合理評(píng)價(jià)將產(chǎn)生一定的不利影響。因此，要正確運(yùn)用巖體開挖后性狀的變異規(guī)律，消除其不利影響。

3洞室圍巖彈性波波速的反算

為了取得正確的巖體波速參數(shù)，在現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上必須對(duì)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間效應(yīng)的校正與反算，根據(jù)N-d的關(guān)系，可得

(2)

(3)

式中:N為變異率；Vp1為反算的洞室開挖年代洞壁波速；Vp為任意年代所測洞壁波速；d為從開挖時(shí)至測試年代的時(shí)間間隔。

由式(3)反算出各洞室開挖年代洞壁波速值(見表3)。

4洞室圍巖彈性波波速反算效果的檢驗(yàn)

研究表明，地震波整體穿透測試是能較真實(shí)地反映巖體原始賦存狀態(tài)性質(zhì)的波動(dòng)力學(xué)測試方法，所以此處選取同點(diǎn)位的地震波整體穿透波速的平均值作為參照，以此來檢驗(yàn)巖體波速反算的效果。表4給出了某壩址部分洞室洞壁波速平均值，根據(jù)時(shí)間效應(yīng)原理反算的洞室開挖年代洞壁波速平均值和地震波整體穿透(同點(diǎn)位)波速平均值VP2。

表3　某壩址部分洞室洞壁波速反算值

表4　某壩址部分洞室洞壁波速平均值的比較

分析表4中數(shù)據(jù)可以看出：VP2和VP的相對(duì)誤差范圍約在7.0%～15%，平均相對(duì)誤差約為13%，這說明VP2和VP的相對(duì)誤差較大；VP2和VP1的相對(duì)誤差大致都在1.0%左右，平均相對(duì)誤差約為0.8%，這說明VP2和VP1和的相對(duì)誤差較?。欢鳹P2和VP1和的絕對(duì)誤差基本上都小于0.1%。這種變化規(guī)律說明反算的洞室開挖年代洞壁波速非常接近地震波整體穿透(同點(diǎn)位)波速，二者誤差很小，也即證明了巖體開挖后性狀變異時(shí)間效應(yīng)理論具有一定的正確性。

5結(jié)論

(1)在開挖卸荷作用下洞室圍巖性狀(波速)變異隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。在最初的3 a里洞室圍巖性狀(波速)變異速率很大，這是因?yàn)樵趲r體開挖的起始階段是應(yīng)力釋放最快的時(shí)期。3 a以后，洞室圍巖性狀變異速率逐漸趨于平穩(wěn)，這是因?yàn)閹r體的回彈、卸荷作用使應(yīng)力釋放逐漸減弱。至15 a時(shí)，洞室圍巖性狀(波速)變異速率非常小，此時(shí)洞室圍巖基本穩(wěn)定，這是因?yàn)閹r體表面已完全松弛，其性狀不再變化。這些變化規(guī)律表明了開挖卸荷作用下洞室圍巖性狀(波速)變異具有時(shí)間效應(yīng)。

(2)從某種意義上說，巖體性狀(波速)變異是應(yīng)力逐步解除的過程，而波速的反算代表了從測試年代到開挖年代巖體應(yīng)力的恢復(fù)。本次研究所測地區(qū)巖體主要是I類和II類，這類巖體完整性較好，應(yīng)力保持相對(duì)較好，巖體基本都是未風(fēng)化或微風(fēng)化，這類巖體遵循變異時(shí)間效應(yīng)理論。但是對(duì)滑坡、強(qiáng)風(fēng)化巖體及松動(dòng)巖體可能不遵循變異時(shí)間效應(yīng)理論。

參考文獻(xiàn)

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[6]丁梧秀,胡云杰,趙建利.賦存環(huán)境對(duì)巖土體彈性波波速敏感性研究[J].洛陽工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2001,11(4):8-9.

Time effect of rock mass variation after excavation and unloading

YANG Jin-jin，ZHANG Jun

(CollegeofCivilEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Abstract：Through the observation of rock excavation unloading after different time of surrounding rock wave velocity,the variation of the velocity of the wave velocity is analyzed and the rock mass excavation unloading of surrounding rock of trait variation of time varying law is studied.And inversing the velocity of the surrounding rock and proving the correctness of trait variation time effect theory of unloading rock mass excavation are performed at the same time.The research conclusion is as follows:with the extension of time,the excavation unloading effect is gradually weakened,the surrounding rock wave velocity decreases gradually,and the variation rate of the wave velocity is smaller.In the 15 years,the variation rate of the wave velocity is almost constant, and the variation of the surrounding rock is stable.

Key words：surrounding rock;excavation unloading;elastic wave velocity;trait variation

中圖分類號(hào)：TU459+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.01.009

文章編號(hào):1674-7046(2016)01-0052-05

作者簡介：楊金金(1988—)，女，河南鞏義人，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持項(xiàng)目(14IRTSTHN029);河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(132106000078)

收稿日期：2015-10-23