印山越国王陵岩质边坡稳定性分析中抗剪参数研究

来源 :中国地质大学 中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:gwbn9
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本论文依托于十五国家科技攻关计划项目——遗址大型饱水木构件原址保存的地质工程研究的子题——绍兴县印山越国王陵原址保护地质工程研究。印山越国王陵位于浙江绍兴市城西南约13km处,在兰亭镇里木栅村西南侧,为国家一级保护文物对象。建于山坡上的地下古墓,墓坑四周的岩壁是2500年前人工依山斩凿而成的,开挖改变原岩应力状态,岩石破裂,产生裂隙。由于印山越国王陵的文化价值和经济价值,同时进行旅游开发,必须保证它的长期安全。墓坑边坡的稳定性不仅关系到被保护文物的安危,还关系到游人的人身安全,因而对此边坡的稳定性分析就尤为重要。而稳定性分析的一个关键内容就是岩体抗剪参数的选取。因此本论文选择印山越国王陵基坑边坡作为研究的对象,重点分析其岩体抗剪参数C、φ值的选取。不仅为此重点文物的保护措施提供依据,而且对于其他各类岩质边坡的C、φ值的选取提供参考。 岩体抗剪参数取值研究是岩质边坡稳定性分析中的一个关键问题,是工程特性研究的重要内容之一,是工程地质定量评价的核心,是岩体工程质量评价的重要标志,是工程地质过程中合理地将地质原型、力学模型和稳定性评价模型等构架的关键。而在岩质边坡的稳定性评价中C、φ值的选取更是重中之重,同时由于岩体本身的复杂性,对C、φ值的选取也一直是困扰工程人员的一个难题。通过大量的工程实践,我们知道,岩体抗剪参数具有不确定性和模糊性,想十分准确知道其值几乎不可能,只能尽可能的使之符合实际。在各种参数选取方法方面,如试验法、经验分析法、数值分析法、地球物理方法等各有优劣。大多数的中小型工程,由于条件的限制,更多的是依靠经验分析法,因而对经验法的研究是近年来的一个热点,本文也正是基于此考虑,主要对经验法在边坡稳定性分析中岩体抗剪参数的选取进行研究。当然,由于经验分析方法包含太多的内容,如工程类比法、系数折减法、加权平均法、块度模数法、RMR与Hoek-Brown法、灰色系统预测法、贝叶尔(Bayers)可靠性估计法、Fuzzy法、专家系统法、神经元网络方法等,对每一个方面都进行研究对于作者在时间和精力上来说都是不可能的。因而作者以前人的研究为基础,吸取了近年来在其它相关领域的一些前沿性的成果,再结合工程实践——印山越国王陵岩质边坡抗剪参数的选取,用结构面网络模拟Hoek-Brown的联合使用、人工神经网络理论这一前沿性理论,对印山越国王陵岩质边坡抗剪参数作出了估算,并适当的加以延伸,取得了一定的成果。 本论文归纳起来,按先后顺序主要阐述了以下问题: 1.对岩体抗剪参数确定常用的4种方法分别为试验法、经验分析法、数值分析法、地球物理方法进行了系统分析。指出尤其是在中小型工程中,经验法占有重要的地位,本文在整体上也是主要研究经验法在岩体抗剪参数中的应用; 2.指出岩体抗剪参数不是一个恒定的值,而是动态变化的。且岩体抗剪参数的选取还与边坡的使用年限息息相关的,另外在岩体抗剪参数的选取上还需要考虑疲劳效应; 3.对于岩体的RQD值和结构面线密度的各向异性利用结构面网络模拟作出了初步的探讨。RQD值是工程领域中一个十分重要的概念,原来一直是利用钻孔取芯来进行统计。然而,由于结构面的不均匀性,RQD值往往在不同方向上是有所差异的,甚至差别很大,因而钻孔取芯所得到的数据只是某一个特定方向上的,不能完全反应岩体的性质。而用结构面网络模拟用于估算岩体的RQD值,可以得到各个方向上的RQD值,更加全面的反应了岩体的性质。并且结合印山越国王陵的具体情况,选取了RQD=33%为本工程的计算值; 4.将结构面网络模拟所得到的RQD值和结构面线密度图,结合实际对岩体进行RMR分类和Q分类,然后用Hoek-Brown经验方程对印山越国王陵岩质边坡的抗剪参数作出了估算,估算结果为:摩擦角为30.7°,粘聚力为0.25; 5.利用结构面网络模拟对印山越国王陵岩质边坡岩体抗剪参数的各向异性进行了初步的分析,并结合工程实际对具体值进行了选取。有理由认为考虑岩体各向异性的特征所求得的抗剪参数更有针对性,也更准确。结合实际工程分析岩体抗剪参数的各向异性也是本文的一个创新点; 6.对影响边坡岩体抗剪参数的主要因素进行了分析,指出主要因素为岩石的粘聚力、摩擦角、单轴抗压强度、岩体的形成条件、岩体结构、岩体风化程度、岩体密度、坡高、节理裂隙发育情况和节理密度这10个参数; 7.利用MATLAB语言对印山越国王陵岩质边坡抗剪参数的分析实现了神经网络编程,并通过搜集到的学习样本对网络进行了训练,用训练好的网络对印山越国王陵岩质边坡抗剪参数作出了预测,预测结果为:摩擦角为32.6°,粘聚力为0.36Mpa。考虑到神经网络法考虑的因素更加全面,有理由认为神经网络法预测的结果更准确。因而在实际工程中,考虑到安全储备,将神经网络法确定的结果乘以0.9的系数进行折减,最后给定的抗剪参数建议值为:粘聚力为0.32,摩擦角为29.3°; 8.对10个影响岩体抗剪参数的输入参数的作用强度进行了分析,分析结果表明,对摩擦角作用强度影响最大的三个参数依次为岩石的摩擦角、岩体结构、节理密度;对粘聚力作用强度影响最大的三个参数为岩石的粘聚力、岩石的摩擦角和岩体类别; 9.利用神经网络模型对水对岩体抗剪参数的影响进行了初步的探讨。在假设饱和情况下,岩石的抗剪参数C、φ值不变,只是单轴抗压强度下降的情况下,得出了两个函数关系式:(1)C/C=0.41KR+0.57(2)φ/φ=0.14KR+0.85; 10.利用综合所得出的岩体抗剪参数对印山越国王陵岩质边坡进行了稳定性计算,用结果验证了抗剪参数选取的正确性; 11.论文最后总结了全文的主要结论和研究成果,提出了作者的主要观点和看法,并指出在对岩体抗剪参数各向异性的研究、人工神经网络神经元个数的选取、神经网络模型用于预测水对岩体抗剪参数的影响等方面还需要进一步深入的研究。
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