一种高强预应力锚杆支护应力评估方法及相关设备

技术领域

本申请涉及勘测技术领域，尤其涉及一种高强预应力锚杆支护应力评估方法及相关设备。

背景技术

在建设隧或者挖掘工程中，爆破开挖推进的过程中不可避免的会对保留下来岩体造成损伤，形成爆破开挖损伤区，爆破开挖损伤区的岩体的完整性降低、力学性能弱化，从而会极大影响岩体的稳定性。工程中通常采用锚杆加固岩体的损伤区，锚杆的支护会产生支撑应力，能够增强锚杆支护后的岩体稳定性。

然而，目前，对于工程中岩体的锚杆支护加固技术主要依靠经验，对于锚杆支护后的岩体稳定性的评估尚无准确的表征方法。

发明内容

本申请实施例提供了一种高强预应力锚杆支护应力评估方法及相关设备，以实现准确评估锚杆支护后的岩体稳定性。

第一方面，一种高强预应力锚杆支护应力评估方法，包括：

测试损伤岩体的变形模量，得到损伤岩体变形模量，其中，在测试过程中对所述损伤岩体施加模拟震动声波，且以非接触式施加在所述损伤岩体上，所述模拟震动声波用于模拟所述损伤岩体的应用场景中产生的震动声波；

根据所述损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数；

基于所述锚固岩体的所述增强系数，结合Hoek-Brown 强度准则，计算锚固岩体力学参数。

在一种可行的实施方式中，所述测试损伤岩体的变形模量，得到损伤岩体变形模量，其中，在测试过程中对所述损伤岩体施加模拟震动声波，且以非接触式施加在所述损伤岩体上，所述模拟震动声波用于模拟所述损伤岩体的应用场景中产生的震动声波的步骤，包括：

以非接触式对所述损伤岩体施加所述模拟震动声波，以使所述模拟震动声波对所述损伤岩体内的岩层产生作用；

在所述损伤岩体上分级施加测试载荷，并测量每级所述测试载荷对应的所述损伤岩体的凹陷量，得到所述测试载荷与所述凹陷量的原始关系曲线；

卸载对所述损伤岩体施加的所述测试载荷以及移出施加载荷的工具后，历经预设时间后，测量所述损伤岩体的凹陷处的回弹量；

停止对所述损伤岩体施加所述模拟震动声波；

计算所述原始关系曲线在每级所述测试载荷上的斜率，将每级所述测试载荷上的斜率乘以所述回弹量，得到每级所述测试载荷对应的折算回弹量；

将每级所述测试载荷对应的所述凹陷量减去所述折算回弹量，得到每级所述测试载荷对应的折算凹陷量，以绘制所述测试载荷与所述折算凹陷量的折算关系曲线；

根据所述折算关系曲线，计算所述损伤岩体变形模量；

所述根据所述损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数的步骤之前，还包括：

在测试所述损伤岩体的所述变形模量的过程中，同步对所述损伤岩体的表面施加震动，以模拟所述损伤岩体受到外界震动影响的场景。

在一种可行的实施方式中，所述在所述损伤岩体上分级施加测试载荷，并测量每级所述测试载荷对应的所述损伤岩体的凹陷量，得到所述测试载荷与所述凹陷量的原始关系曲线的步骤，包括：

根据与地平面的垂直距离和所述损伤岩体表面与所述地平面的角度，在所述损伤岩体上选取多个测试点位；

在所述测试点位上分级施加所述测试载荷并测量每级所述测试载荷对应的所述损伤岩体的凹陷量，得到每个测试点位对应的所述测试载荷与所述凹陷量的所述原始关系曲线。

在一种可行的实施方式中，所述根据所述折算关系曲线，计算所述损伤岩体变形模量的步骤，包括：

根据所述折算关系曲线在0.3σ和0.7σ之间割线的斜率，计算所述损伤岩体变形模量，其中，σ为施加在所述损伤岩体上最大的载荷应力。

在一种可行的实施方式中，所述根据所述折算关系曲线在0.3σ和0.7σ之间割线的斜率，计算所述损伤岩体变形模量，其中，σ为施加在所述损伤岩体上最大的载荷应力的步骤，包括：

按照下式，计算所述损伤岩体变形模量

其中，σ为施加在所述损伤岩体上最大的载荷应力，

在一种可行的实施方式中，所述根据所述损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数K的步骤，包括：

根据所述损伤岩体变形模量以及所述锚杆变形模量，按照下式计算所述锚固岩体的所述增强系数K：

其中，

在一种可行的实施方式中，所述基于所述锚固岩体的所述增强系数，结合Hoek-Brown 强度准则，计算锚固岩体力学参数的步骤，包括：

基于所述锚固岩体的所述增强系数K，按照下式计算锚固岩体变形模量

其中，K为所述增强系数，

根据所述锚固岩体变形模量，结合Hoek-Brown 强度准则，计算所述锚固岩体力学参数，所述锚固岩体力学参数包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角和黏聚力。

第二方面，一种高强预应力锚杆支护应力评估装置，包括：

变形模量测试仪，用于测试损伤岩体的变形模量，得到损伤岩体变形模量，其中，在测试过程中对所述损伤岩体施加模拟震动声波，且以非接触式施加在所述损伤岩体上，所述模拟震动声波用于模拟所述损伤岩体的应用场景中产生的震动声波；

增强系数计算模块，用于根据所述损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数；

力学参数计算模块，用于基于所述锚固岩体的所述增强系数，结合Hoek-Brown 强度准则，计算锚固岩体力学参数。

第三方面，一种电子设备，包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1-7中任一项所述高强预应力锚杆支护应力评估方法的步骤。

第四方面，一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述高强预应力锚杆支护应力评估方法的步骤。

本申请提供的高强预应力锚杆支护应力评估方法及相关设备，在测量损伤岩体的变形模量过程中，同步施加模拟震动声波，用以将在实际使用过程中可能的环境因素考虑在内，使得测量得到的损伤岩体变形模量更加接近使用过程中的真实值，考虑在后续使用过程中会存在的震动声波的外界环境因素，测量得到的损伤变形模量会更为准确，更利于后续依据该损伤变形模量对损伤岩体制定具有针对性的锚固方案。另外，损伤岩体的变形模量通过测试得到，再结合锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数，最后结合Hoek-Brown 强度准则，计算得到锚固岩体力学参数，测量与理论计算相结合，使得得到的锚固岩体力学参数可以准确表征锚固岩体的锚固效果，更准确的评估出锚杆支护应力的情况。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种高强预应力锚杆支护应力评估方法的示意性流程图；

图2为本申请实施例提供的一种高强预应力锚杆支护应力评估装置的示意性结构框图；

图3为本申请实施例提供的一种电子设备的示意性结构框图；

图4为本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质的示意性结构框图。

具体实施方式

为了更好的理解本说明书实施例提供的技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明，而不是对本说明书技术方案的限定，在不冲突的情况下，本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“两个以上”包括两个或大于两个的情况。

在建设隧或者挖掘工程中，爆破开挖推进的过程中不可避免的会对保留下来岩体造成损伤，形成爆破开挖损伤区，爆破开挖损伤区的岩体的完整性降低、力学性能弱化，从而会极大影响岩体的稳定性。工程中通常采用锚杆加固岩体的损伤区，锚杆的支护会产生支撑应力，能够增强锚杆支护后的岩体稳定性。然而，目前，对于工程中岩体的锚杆支护加固技术主要依靠经验，对于锚杆支护后的岩体稳定性的评估尚无准确的表征方法。

有鉴于此，本申请提供一种高强预应力锚杆支护应力评估方法及相关设备，以实现准确评估锚杆支护后的岩体稳定性。

第一方面，图1为本申请实施例提供的一种高强预应力锚杆支护应力评估方法的示意性流程图。如图1所示，本申请实施例提供一种高强预应力锚杆支护应力评估方法，包括：

S100：测试损伤岩体的变形模量，得到损伤岩体变形模量，其中，在测试过程中对损伤岩体施加模拟震动声波，且以非接触式施加在损伤岩体上，模拟震动声波用于模拟损伤岩体的应用场景中产生的震动声波。损伤岩体是在隧道建设时，通过爆破或者挖掘后对完整岩体的破坏所形成的岩体，或者道路修建中两侧的山体斜坡处于未加固状态等等，此处不做一一例举。通常隧道用于交通或者采矿生产，隧道在建设或者使用过程中，隧道中会存在较多声波，例如，火车在隧道中高速行驶时会带动气流迅速流动，从而产生气流震动，气流震动以及火车行驶产生的震动都会形成震动声波，震动声波传播到损伤岩体表面或者内部时，如果损伤岩体内部较为松散，则相对较大的震动声波容易引起松动岩体的共振，对于损伤岩体存在较大的安全威胁，因此有必要在测试损伤岩体的变形模量过程中，将后续使用过程中会存在的震动声波的外界环境因素考虑在内，测量得到的变形模量会更为准确，更利于后续依据该变形模量对损伤岩体制定具有针对性的锚固方案。本步骤的模拟震动声波可以根据该损伤岩体后续所处的环境进行模拟，例如，如果该损伤岩体用于铁路隧道建设，则模拟震动声波可以是模拟火车行驶产生的震动声波；如果该损伤岩体用于高速路隧道建设，则模拟震动声波可以是模拟汽车行驶产生的震动声波。

S200：根据损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数。

S300：基于锚固岩体的增强系数，结合Hoek-Brown 强度准则，计算锚固岩体力学参数。计算得到锚固岩体的增强系数后，可以依据增强系数得到锚固岩体的变形模量。结合Hoek-Brown 强度准则和锚固岩体的变形模量，可以计算得到锚固岩体的力学参数。

本申请实施例提供的高强预应力锚杆支护应力评估方法，在测量损伤岩体的变形模量过程中，同步施加模拟震动声波，用以将在实际使用过程中可能的环境因素考虑在内，使得测量得到的损伤岩体变形模量更加接近使用过程中的真实值，考虑在后续使用过程中会存在的震动声波的外界环境因素，测量得到的损伤变形模量会更为准确，更利于后续依据该损伤变形模量对损伤岩体制定具有针对性的锚固方案。另外，损伤岩体的变形模量通过测试得到，再结合锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数，最后结合Hoek-Brown强度准则，计算得到锚固岩体力学参数，测量与理论计算相结合，使得得到的锚固岩体力学参数可以准确表征锚固岩体的锚固效果，更准确的评估出锚杆支护应力的情况。

在一种可行的实施方式中，步骤S100，可以包括：

以非接触式对损伤岩体施加模拟震动声波，以使模拟震动声波对损伤岩体内的岩层产生作用。由于震动声波产生于损伤岩体的外部环境，为提高模拟的准确性，可以采用非接触式的方式将模拟震动声波施加给损伤岩体。

在损伤岩体上分级施加测试载荷，并测量每级测试载荷对应的损伤岩体的凹陷量，得到测试载荷与凹陷量的原始关系曲线。示例性的，施加在损伤岩体上的测试载荷可以分为十级，采用逐级等量加载，或者逐级不等量加载，本申请不作具体限定。每级施加测试载荷后，可以依次间隔10min、10min、10min、15min、30min读取损伤岩体的凹陷量，直到凹陷量的变化量达到设定下限时，继续施加下一级的测试载荷。当所有级的测试载荷施加完毕，所有测试载荷对应的凹陷量读取完毕后，绘制原始关系曲线，原始关系曲线的横坐标为每级测试载荷产生的载荷应力，纵坐标为每级测试载荷应力对应的凹陷量。示例性的，还可以采用两次逐级施加测试载荷，第一次采用五级逐级加载测试载荷，读取对应的凹陷量后，逐级卸载第一次施加的所有测试载荷；继续进行第二次施加测试载荷，可以同样采用五级逐级加载测试载荷，读取对应的凹陷量。用两次获得的载荷应力和对应的凹陷量绘制原始关系曲线。

卸载对损伤岩体施加的测试载荷以及移出施加载荷的工具后，历经预设时间后，测量损伤岩体的凹陷处的回弹量。在得到原始关系曲线后，卸载掉施加在损伤岩体上的测试载荷，并将施加载荷的工具移除，经过预设时间后，测量损伤岩体凹陷出的回弹量。回弹量的存在会影响变形模量的测试精度，因此需要将回弹量考虑在内，预设时间可以根据损伤岩体的具体类型进行设定，例如，松散的沙土的设定时间可以较长，坚硬的岩石的设定时间可以较短，本申请不作具体限定。

停止对损伤岩体施加模拟震动声波。收集到凹陷处的回弹量后，变形模量的测量动作结束，可以停止施加模拟震动声波。

计算原始关系曲线在每级测试载荷上的斜率，将每级测试载荷上的斜率乘以回弹量，得到每级测试载荷对应的折算回弹量。

将每级测试载荷对应的凹陷量减去折算回弹量，得到每级测试载荷对应的折算凹陷量，以绘制测试载荷与折算凹陷量的折算关系曲线。单纯依靠凹陷量计算变形模量不够准确，将每级测试载荷对应的凹陷量减去回弹量乘以每级测试载荷上的斜率后，可以抵消回弹量对于变形模量计算的影响，进而绘制出折算关系曲线。

根据折算关系曲线，计算损伤岩体变形模量。

步骤S200之前，还包括：

在测试损伤岩体的变形模量的过程中，同步对损伤岩体的表面施加震动，以模拟损伤岩体受到外界震动影响的场景。震动可以是在损伤岩体表面上安装震动源，震动源产生的震动直接作用在损伤岩体的表面上，可以看作是接触式的震动波，震动可以对损伤岩体内的岩层产生相应的作用，岩层在震动的作用下会发生一些变化，能够模拟损伤岩体受到外界震动影响的场景，测量得到的变形模量则是考虑到损伤岩体在实际应用场景下可能产生的变化，从而测得的变形模量与实际值更加接近。

本申请实施例提供的高强预应力锚杆支护应力评估方法，以非接触式在损伤岩体上施加模拟震动声波更接近真实的使用环境。在损伤岩体上分级施加测试载荷，可以提高测试准确度。将回弹量折算到凹陷量中得到折算关系曲线，通过折算关系曲线得到的损伤岩体变形模量更加接近真实值，测试更加准确。

在一种可行的实施方式中，在损伤岩体上分级施加测试载荷，并测量每级测试载荷对应的损伤岩体的凹陷量，得到测试载荷与凹陷量的原始关系曲线的步骤，包括：

根据与地平面的垂直距离和损伤岩体表面与地平面的角度，在损伤岩体上选取多个测试点位。考虑到重力作用以及斜面角度会对凹陷量以及回弹量产生一定的影响，例如，距地较远，重力影响较大，回弹量较多，因此，为尽可能的消除重力和斜面角度的影响，可以针对不同距离地平面的损伤岩体进行单独测试，示例性的，与地平面的垂直距离相同的损伤岩体上选取多个测试点位，多个测试点位的计算得到的变形模量取均值后得到一个损伤岩体变形模量。不同距地测试点位还可以对应不同的变形模量。或者，示例性的，不同斜面角度对应单独测试变形模量。在或者，对于不同岩体种类，测试对应的变形模量，可以消除岩体种类的变量因素。示例性的，在隧道建设过程中，隧道顶部的损伤岩体单独测试变形模量，隧道侧壁的损伤岩体单独测试变形模量。隧道顶部可以取多个测试点位计算平均值，隧道侧壁也可以根据不同的斜度单独测试变形模量，本申请不作具体限定。

在测试点位上分级施加测试载荷并测量每级测试载荷对应的损伤岩体的凹陷量，得到每个测试点位对应的测试载荷与凹陷量的原始关系曲线。

在一种可行的实施方式中，根据折算关系曲线，计算损伤岩体变形模量的步骤，包括：

根据折算关系曲线在0.3σ和0.7σ之间割线的斜率，计算损伤岩体变形模量，其中，σ为施加在损伤岩体上最大的载荷应力。

在一种可行的实施方式中，根据折算关系曲线在0.3σ和0.7σ之间割线的斜率，计算损伤岩体变形模量，其中，σ为施加在损伤岩体上最大的载荷应力的步骤，包括：

按照下式，计算损伤岩体变形模量

其中，σ为施加在损伤岩体上最大的载荷应力，

在一种可行的实施方式中，步骤S200，包括：

根据损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，按照下式计算锚固岩体的增强系数K：

其中，

在一种可行的实施方式中，步骤S300，包括：

基于锚固岩体的增强系数K，按照下式计算锚固岩体变形模量

其中，K为所述增强系数，

根据锚固岩体变形模量，结合Hoek-Brown 强度准则，计算锚固岩体力学参数，锚固岩体力学参数包括单轴抗压强度、单轴抗拉强度、内摩擦角和黏聚力。

根据Hoek-Brown 强度准则，基于损伤岩体变形模量

其中，E

又根据E

其中，D

示例性的，如果D、D

具体的，根据Hoek-Brown强度准则，

其中，

在Hoek-Brown强度准则中，锚固岩体的变形模量

其中，

由上式可知，只要得到完整岩体的单轴抗压强度

本申请实施例提供的高强预应力锚杆支护应力评估方法，将实际测量结合理论计算，依据实际测试得到的损伤岩体的损伤模量，结合Hoek-Brown 强度准则计算锚固岩体力学参数，对锚固岩体的支护应力进行表征，更加准确，更具有参考性，使得施工过程更加安全。

第二方面，图2为本申请实施例提供的一种高强预应力锚杆支护应力评估装置的示意性结构框图。如图2所示，本申请实施例提供一种高强预应力锚杆支护应力评估装置，包括：

变形模量测试仪100，用于测试损伤岩体的变形模量，得到损伤岩体变形模量，其中，在测试过程中对损伤岩体施加模拟震动声波，且以非接触式施加在损伤岩体上，模拟震动声波用于模拟损伤岩体的应用场景中产生的震动声波。

增强系数计算模块200，用于根据损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数。

力学参数计算模块300，用于基于锚固岩体的所述增强系数，结合Hoek-Brown 强度准则，计算锚固岩体力学参数。

第三方面，图3为本申请实施例提供的一种电子设备的示意性结构框图。如图3所示，本申请实施例提供了一种电子设备400，包括存储器410、处理器420及存储在存储器410上并可在处理器420上运行的计算机程序411，处理器420执行计算机程序411时实现以下步骤：

测试损伤岩体的变形模量，得到损伤岩体变形模量，其中，在测试过程中对损伤岩体施加模拟震动声波，且以非接触式施加在损伤岩体上，模拟震动声波用于模拟损伤岩体的应用场景中产生的震动声波。

根据损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数。

基于锚固岩体的所述增强系数，结合Hoek-Brown 强度准则，计算锚固岩体力学参数。

在具体实施过程中，处理器420执行计算机程序411时，可以实现上述实施例中任一种高强预应力锚杆支护应力评估方法的步骤。

由于本实施例所介绍的电子设备为实施本申请实施例中高强预应力锚杆支护应力评估方法，故而基于本申请实施例中所介绍的方法，本领域所属技术人员能够了解本实施例的电子设备的具体实施方式以及其各种变化形式，所以在此对于该电子设备如何实现本申请实施例中的方法不再详细介绍，只要本领域所属技术人员实施本申请实施例中的方法所采用的设备，都属于本申请所欲保护的范围。

第四方面，图4为本申请实施例提供的一种计算机可读存储介质的示意性结构框图。如图4所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质500，其上存储有计算机程序511，该计算机程序511被处理器执行时实现如下步骤：

测试损伤岩体的变形模量，得到损伤岩体变形模量，其中，在测试过程中对损伤岩体施加模拟震动声波，且以非接触式施加在损伤岩体上，模拟震动声波用于模拟损伤岩体的应用场景中产生的震动声波。

根据损伤岩体变形模量以及锚杆变形模量，计算得到锚固岩体的增强系数。

基于锚固岩体的所述增强系数，结合Hoek-Brown 强度准则，计算锚固岩体力学参数。

在具体实施过程中，该计算机程序511被处理器执行时可以实现上述实施例中任一种高强预应力锚杆支护应力评估方法。

尽管已描述了本说明书的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本说明书范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本说明书进行各种改动和变型而不脱离本说明书的精神和范围。这样，倘若本说明书的这些修改和变型属于本说明书权利要求及其等同技术的范围之内，则本说明书也意图包含这些改动和变型在内。