[发明专利]测定岩质边坡稳定安全系数的方法

权利要求书

1.测定岩质边坡稳定安全系数的方法，其特征是，包括以下步骤：

Ⅰ、建立数学模型：首先降低软弱结构面力学参数K′_S倍，然后保持力学参数不变的情况下，逐步倾斜抬升模型钢架至边坡超载破坏为止，由此得到的安全系数称为综合法安全系数K_SC，推导得出以下安全评价系数表达式：

其中，δ取值0.97～1.0，θ为模型边坡底滑面原始倾角，φ为边坡在超载试验过程中钢架抬升的倾斜角度；

Ⅱ、研制模型材料：根据拟研究原型边坡岩体和结构面的物理力学参数，按相似关系换算得到模型材料的物理力学参数，并从力学相似的角度开展材料试验，从而研制出与原型材料相似的模型材料；

Ⅲ、砌筑边坡模型：根据拟研究原型边坡的地质剖面图，沿各软弱结构面的产状砌筑边坡模型；

Ⅳ、进行边坡模型综合法试验：首先，通过降低软弱结构面的物理力学参数进行边坡降强法试验，待结构面物理力学参数降低到K′_S倍数后，保持力学参数不变，再通过液压千斤顶加载的方式，倾斜抬升模型钢架，进行边坡超载试验，直至边坡模型出现失稳破坏为止，并记录下此时模型钢架的倾斜角度φ；

Ⅴ、计算边坡稳定安全系数：将步骤Ⅳ得到的试验数据代入到步骤Ⅰ中的安全评价系数表达式，即可得到边坡稳定安全系数。

2.如权利要求1所述的测定岩质边坡稳定安全系数的方法，其特征是：步骤Ⅰ中的安全评价系数表达式按以下过程进行推导：

子步骤1：边坡处于自然状态时，根据抗剪断强度公式，边坡在自然状态下块体的阻滑力R和下滑力T可分别表示为：R＝f′W_y+c′A，T＝W_x，因此，自然状态下边坡的安全系数K为：

将W_x＝Wsinθ和W_y＝Wcosθ代入上式中，则边坡稳定安全系数可表示为：

上式中：K为自然状态下边坡稳定安全系数；f′为底滑面抗剪断摩擦系数；c′为底滑面抗剪断凝聚力；W为块体自重；W_x和W_y分别为块体自重顺边坡和垂直边坡的分力；A为块体底滑面的单宽接触面积；θ为模型边坡底滑面原始倾角；

子步骤2：边坡处于降强失稳极限状态时，在降强法模型试验中，通过升高边坡模型结构面上变温相似材料的温度，逐步降低软弱结构面的力学参数直至边坡出现整体失稳，由此得到的稳定安全系数称为强度储备安全系数K_SS；

模型破坏时的强度降低倍数K′_S用抗剪断强度设计值τ_m和降强破坏时的抗剪断强度τ′_m的比值表示为：

K′_S＝τ_m/τ′_m (3)，

在降强法试验过程中，通过降低软弱结构面抗剪断强度τ(f′,c′)实现力学参数的弱化，当软弱结构面强度降低K′_S倍时边坡发生整体失稳，此时失稳极限状态下的边坡安全系数K′＝1，则其稳定安全系数K′可表示为：

将式(2)除以式(4)，则得到：

K_SS＝K＝K′_S (5)，

由上式可知，边坡失稳时的强度降低倍数K′_S可以作为评价边坡模型稳定的安全系数，即模型降强失稳破坏时的强度降低倍数K′_S就是强度储备安全系数K_SS；

子步骤3：边坡处于超载失稳极限状态时，在试验中通过倾斜抬升模型钢架增大边坡底滑面倾角的方法，逐步增加岩体下滑力直至边坡发生整体失稳破坏，由此得到的稳定安全系数称为超载安全系数K_SP；

根据抗剪断强度公式，边坡在超载试验过程中随钢架倾斜φ角时，块体阻滑力R′和下滑力T′可分别表示为：

R′＝f′W_y′+c′A，T′＝W_x′ (6)，

上式中：W_x′和W_y′分别为块体在倾斜φ角度时的顺边坡和垂直边坡分力，其中W_y′＝Wcos(θ+φ)；W_x′＝Wsin(θ+φ)，

当边坡倾斜φ角度处于超载失稳极限状态时，其稳定安全系数K′＝1，即块体阻滑力与下滑力相等，则稳定安全系数K′可表示为：

将式(2)除以(7)可得：

式(8)可变换为：

令则(9)式简化为：

其中，块体自重W可按下式求出：

上式中：γ为岩体容重；H为块体裂隙出露点垂直埋深；h为裂隙出露点距底滑面的垂直距离，

则δ可表示为：

根据系数δ中各参数工程岩体的取值范围进行单一变量试算，通过大量试算发现系数δ的取值在δ＝0.97～1.0≈1.0，偏差率在3％以内，将δ≈1.0代入式(10)，则得到边坡超载安全系数K_SP的表达式：

由上式可知，边坡超载安全系数K_SP就是边坡超载失稳破坏时底滑面极限倾角正切值tan(θ+φ)与天然状态下底滑面倾角正切值tanθ的比值；

子步骤4：边坡处于降强和超载后的失稳极限状态时，在综合法试验中，首先是降低软弱结构面力学参数K′_S倍数，然后保持力学参数不变的情况下，逐步倾斜抬升模型钢架至边坡超载破坏为止，由此得到的安全系数称为综合法安全系数K_SC；

在综合法试验中，边坡强度降低K′_S倍后再超载倾斜φ角时达到失稳极限状态，其稳定安全系数K′＝1：

将式(2)除以式(14)得到：

将δ≈1.0代入上式可得：