巖體結構控制論的研究和應用

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摘 要：巖體由結構面和結構體組成，其結構特性是巖體力學行為、變形和破壞形式的主要控制因素。巖體結構控制論是巖體工程的基礎理論。本文從巖體結構的工程地質模型、力學模型出發(fā)， 總結 了現(xiàn)今較廣泛應用的巖體結構力學分析方法，并簡要介紹了巖體結構控制論的工程應用。關鍵詞：巖體結構控制論 工程地質模型 分析方法

  一、巖體結構的工程地質模型巖體形成和 發(fā)展 過程伴隨著各種內、外地質營力的作用，從成巖的類型分為沉積巖、巖漿巖和變質巖三大類，由于結構面的存在使巖體具有一定的結構，其結構特性控制著巖體的性質和變形破壞，因此，我們在解決巖體工程問題時，應該從巖體的地質模型出發(fā)。孫廣忠教授建立了8個基本的地質模型：水平層狀巖體、緩傾層狀巖體、陡傾層狀巖體、陡立層狀巖體、彎曲層狀巖體、完整塊狀巖體、碎裂塊狀巖體和巖溶化塊狀巖體。孫玉科在研究了大量露天礦和水電工程的邊坡滑坡資料后，歸納出5種具典型意義的工程地質模型，即：金川模型、葛洲壩模型、鹽池河模型、白灰廠模型和塘巖光模型。目前，這些模型廣泛的應用在巖體工程中，從地質模型建立的角度考慮，首先應該調查巖體中結構面的發(fā)育特征以及與結構體的組合特征，查明巖體的賦存地質條件，如地下水、地應力條件等，再與上述的基本類型進行對比，選擇適合巖體工程的模型。為了便于后面的力學分析，在建立地質模型時從各基本模型的共性特征入手，并根據(jù)工程自身的特點充分體現(xiàn)其個性的一面。因此，建立巖體的工程地質模型是一項系統(tǒng)的工作。二、巖體結構力學模型孫廣忠提出了四種巖體介質，并根據(jù)介質的特性提出了四種巖體力學的分析方法，表1中是四種力學介質巖體特性。表1 各種力學介質巖體特征   連續(xù)介質   碎裂介質   板裂介質   塊裂介質巖體結構   1、完整結構2、高地應力下散體結構及碎裂結構   低地應力下條件下碎裂結構及粗碎屑散體結構   板裂結構部分碎裂結構   塊裂結構巖體變形機制   結構體壓縮及剪切為主   結構體（壓縮、剪切），結構面（閉合、滑移）   結構體橫向彎曲及縱向縮短   沿結構面滑移巖體破壞機制   材料的張及剪破壞   沿結構面滑動、結構體滾動、結構體張及剪破壞   彎折、潰屈、傾倒滑動   沿軟弱結構面滑動巖體力學性質控制因素   材料及環(huán)境因素   材料、結構效應及環(huán)境因素   軟弱結構面及結構體   軟弱結構面巖體力學性質研究方法   典型地質單元三軸力學試驗及尺寸效應   巖塊三軸試驗、尺寸和圍壓效應   軟弱結構面力學性質及彈性模量   軟弱結構面力學性質及爬坡角理論巖體力學分析方法   連續(xù)介質巖體力學   碎裂介質巖體力學   板裂介質巖體力學   塊裂介質巖體力學   對于基巖斜坡失穩(wěn)破壞主要表現(xiàn)為軟弱巖體的蠕滑變形、巖體沿著已存在的地質結構面發(fā)生剪切破壞、巖石塊體的塌落和板狀結構巖體的傾倒、上部巖體沿巖層層面或較軟弱夾層發(fā)生剪切滑動等。李鐵峰將基巖斜坡的變形模式進行了總結，根據(jù)結構面傾向、傾角與斜坡產狀之間的關系，以及軟弱夾層的發(fā)育情況，將斜坡的變形模式分為傾倒變形、潰屈型破壞、順層滑動破壞、裂隙滑動、侵入接觸滑動、拉裂－脫離母巖－崩塌、壓縮流變。三、巖體結構力學的分析方法早期多數(shù)把巖體看成連續(xù)的介質，用一些連續(xù)的線性分析方法來解決巖體力學問題。根據(jù)巖體不連續(xù)、方向異性等特點，目前出現(xiàn)了許多的不連續(xù)分析方法，如：離散元算法、塊體理論、DDA方法等，其理論基礎更符合巖體的性狀。離散元法（Discrete Element Method）考慮結構體受力后的運動狀態(tài)，以及由此導致受力狀態(tài)及系統(tǒng)的變形（塊體運動）隨時間的變化，該法由Cundll于1971年首次提出，用來 計算 結構面和結構體組成巖體的非連續(xù)變形，以后又進一步 發(fā)展 了考慮塊體本身的彈性變形，并推廣至三維和動力問題。目前，離散元應用的文章較多，而研究基礎計算方法的文章很少，因此，加強離散元法基礎理論、基礎算法及誤差分析方面的研究，汲取有限元法等數(shù)值方法的優(yōu)點，使之既能保持在描述散體的整體力學行為和力學演化全過程方面的優(yōu)勢，又能有效描述介質局部連續(xù)處應力狀態(tài)和變形狀態(tài)，使離散元法的模型建立真正滿足幾何仿真，物理（本構）仿真，受力仿真和過程仿真的原則，是離散元法研究領域的首要工作。塊體理論由石根華（1977）提出并在美與Goodman合作完善起來的，應用幾何學、拓撲學碎裂結構巖體。近些年，塊體理論在巖體工程中應用十分廣泛，E. Hoek等（1998）應用塊體理論開發(fā)了用于地下開挖工程的分析程序—Unwedge；2001年Rocscience公司推出了Swedge4.0，該軟件可以用來計算邊墻塊體的體積及穩(wěn)定系數(shù)。汪衛(wèi)明、陳勝宏（1998）在矢體概念的基礎上開發(fā)出三維巖石塊體系統(tǒng)的自動識別方法，該方法能夠有效解決包含不規(guī)則地形面和非貫通結構面等情況下的復雜塊體的識別問題；盧波、陳劍平等通過應用隨機不連續(xù)面三維 網絡 模擬技術對復雜有限塊體的自動搜索及確定其空間幾何形態(tài)，并提出了“有形即是有限”的分析方法；張子新等把分形幾何與塊體理論相結合，提出分形塊體理論，建立分形塊體理論赤平解析法，并把隨機概率模型引入分形塊體理論，研究了三峽高邊坡關鍵分形塊體的滑落概率和分形塊體的大小及其分布密度；張子新等將赤平投影圖解析化，提出了塊體理論的赤平投影解析法，并應用該法分析了某礦卷揚機硐室的穩(wěn)定性；趙文把概率理論引入節(jié)理跡長分布的研究之中，推導了多組節(jié)理切割巖體形成關鍵塊體概率的計算公式，從而使原來的一些關鍵塊體轉化為穩(wěn)定塊體，減少了關鍵塊的數(shù)量。近年來，石根華又將塊體理論進一步發(fā)展，1993年由石根華提出的塊體系統(tǒng)不連續(xù)變形數(shù)值分析新方法，簡稱為DDA方法，該方法是求解塊體系統(tǒng)連續(xù)變形、大變形和大位移數(shù)值分析方法，塊體的形狀可以是任意的凸凹多邊形，塊體間也不一定要求角點接觸。國內已研制了二維DDA程序軟件，并與日本九州大學環(huán)境地盤工學研究中心合作將三維塊體分析方法應用于三峽船閘高邊坡的巖體穩(wěn)定分析，并對船閘開挖施工過程及其支護效果的數(shù)值模擬，繪制了各開挖步序的巖體變形等值線圖。四、巖體結構控制論的工程應用隨著國民 經濟 的發(fā)展和大型建設項目的實施，涉及到大量的地下工程建設項目，如采礦巷道、道路隧道、水電工程的地下洞室等。地下工程的一項主要研究工作就是分析圍巖應力重分布特點以及變形破壞 規(guī)律 ，這些都要受到巖體結構的控制。例如：康立勛通過研究塊狀結構巖體中自重應力傳播的法則，得到了巖體的應力大小受巖塊數(shù)量以及巖塊幾何參數(shù)控制的結論，并將研究結果用于計算煤炭地下采場頂結構載荷。隧道工程中巖爆和巖體結構關系密切，完整性好的巖體易發(fā)生巖爆，當節(jié)理裂隙發(fā)育到一定程度一般不會發(fā)生巖爆；巖層的層厚狀態(tài)及層面與洞室的空間組合關系與巖爆有重要的關系；優(yōu)勢節(jié)理組與最大主應力的夾角大小也與巖爆緊密相關。上面提到了巖質邊坡變形破壞形式主要受控于巖體的巖性和結構特性。如：河西走廊金川露天礦上盤西區(qū)邊坡變形破壞、烏江雞冠山崩破壞和清江水布埡水利樞紐馬崖高邊坡等屬于傾倒破壞；因此，分析巖體穩(wěn)定性時，應根據(jù)巖體的巖性、巖體結構特性等對邊坡進行分區(qū)，分析各區(qū)巖體力學機制和變形破壞機制，再結合邊坡開挖各項參數(shù)計算邊坡穩(wěn)定性。一般計算地基沉降變形時，把地基巖體當作各向同性介質，未考慮結構面的影響。其實，當巖體中的節(jié)理裂隙發(fā)育程度及方位滿足某種條件時，則地基的滑移變形將受其中的優(yōu)勢結構面控制。如：章楊松等對潤揚大橋節(jié)理化巖體，運用優(yōu)勢結構面理論，分析確定了影響和控制巖體地基沉降變形的優(yōu)勢結構面組合，提出了“優(yōu)勢結構面模型”與“遍有節(jié)理單元模型”數(shù)值分析確定巖體地基沉降變形的聯(lián)合算法。遍有節(jié)理單元模型是考慮遍布巖體中的節(jié)理對巖體的受力和變形的影響的數(shù)值分析方法計算時輸入了眾多組結構面的參數(shù)，而考慮優(yōu)勢面時只輸入兩組左右優(yōu)勢面的參數(shù)，次要的結構面則忽略之。在相同力條件下，考慮優(yōu)勢結構面影響時，計算的地基變形大于不考慮優(yōu)勢結構面影響時計算的地基變形，說明優(yōu)勢結構面對地基的變形有明顯的影響，因而也將影響地基的承載力。五、結論本文從巖體工程地質模型、結構力學模型、分析方法和工程應用這四個方面 總結 了巖體結構控制論的研究和應用現(xiàn)狀。根據(jù)巖體的巖性特征、結構面發(fā)育情況、巖體的地應力、地下水條件等建立巖體的工程地質模型，并將巖體劃分為四種力學模型，分析巖體結構控制下的變形破壞機制。介紹了目前用于不連續(xù)巖體結構計算的方法。對巖體結構控制論在地下工程、邊坡工程、庫岸工程和地基基礎中的應用作了簡單介紹。參考  文獻 [1] 孫廣忠.巖體結構力學.[M].北京. 科學 出版社.1988.[2] 孫玉科.巖體結構力學—巖體工程地質力學的新發(fā)展.[J].工程地質學報.1997.5.4.[3] 許兵.關于巖體結構力學基本觀點探討—試論孫廣忠教授的巖體力學道路.[J].工程地質學報.1997.5.4.[4] 孫玉科.工程地質學發(fā)展予創(chuàng)新思路探討之六—《工程地質模型》初論.[J].巖土工程界.6.2.[5] 許兵.論地質模型—涵義、意義、建模與應用.[J].工程地質學報.1997.5.3.[6] 蔣建平，章楊松，羅國煜等.優(yōu)勢結構面理論在巖土工程中的應用.[J].水利學報.2001.8.[7] 李鐵峰，潘懋，劉瑞珣.基巖斜坡變形與破壞的巖體結構模式分析.[J].北京大學學報（ 自然 科學版）.2002.38.2.