巖體結(jié)構(gòu)控制論的研究和應(yīng)用

1、巖體構(gòu)造控制論的研究和應(yīng)用摘要：巖體由構(gòu)造面和構(gòu)造體組成，其構(gòu)造特性是巖體力學(xué)行為、變形和破壞形式的主要控制因素。巖體構(gòu)造控制論是巖體工程的根底理論。本文從巖體構(gòu)造的工程地質(zhì)模型、力學(xué)模型出發(fā)，總結(jié)了現(xiàn)今較廣泛應(yīng)用的巖體構(gòu)造力學(xué)分析方法，并簡(jiǎn)要介紹了巖體構(gòu)造控制論的工程應(yīng)用。關(guān)鍵詞：巖體構(gòu)造控制論工程地質(zhì)模型分析方法一、巖體構(gòu)造的工程地質(zhì)模型巖體形成和開展過程伴隨著各種內(nèi)、外地質(zhì)營(yíng)力的作用，從成巖的類型分為沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖三大類，由于構(gòu)造面的存在使巖體具有一定的構(gòu)造，其構(gòu)造特性控制著巖體的性質(zhì)和變形破壞，因此，我們?cè)诮鉀Q巖體工程問題時(shí)，應(yīng)該從巖體的地質(zhì)模型出發(fā)。孫廣忠教授建立了8個(gè)根本的

2、地質(zhì)模型：程度層狀巖體、緩傾層狀巖體、陡傾層狀巖體、陡立層狀巖體、彎曲層狀巖體、完好塊狀巖體、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(zhì)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(yīng)用在巖體工程中，從地質(zhì)模型建立的角度考慮，首先應(yīng)該調(diào)查巖體中構(gòu)造面的發(fā)育特征以及與構(gòu)造體的組合特征，查明巖體的賦存地質(zhì)條件，如地下水、地應(yīng)力條件等，再與上述的根本類型進(jìn)展比照，選擇合適巖體工程的模型。為了便于后面的力學(xué)分析，在建立地質(zhì)模型時(shí)從各根本模型的共性特征入手，并根據(jù)工程自身的特點(diǎn)充分表達(dá)其個(gè)性的

3、一面。因此，建立巖體的工程地質(zhì)模型是一項(xiàng)系統(tǒng)的工作。二、巖體構(gòu)造力學(xué)模型孫廣忠提出了四種巖體介質(zhì)，并根據(jù)介質(zhì)的特性提出了四種巖體力學(xué)的分析方法，表1中是四種力學(xué)介質(zhì)巖體特性。表1各種力學(xué)介質(zhì)巖體特征連續(xù)介質(zhì)碎裂介質(zhì)板裂介質(zhì)塊裂介質(zhì)巖體構(gòu)造1、完好構(gòu)造2、高地應(yīng)力下散體構(gòu)造及碎裂構(gòu)造低地應(yīng)力下條件下碎裂構(gòu)造及粗碎屑散體構(gòu)造板裂構(gòu)造部分碎裂構(gòu)造塊裂構(gòu)造巖體變形機(jī)制構(gòu)造體壓縮及剪切為主構(gòu)造體壓縮、剪切，構(gòu)造面閉合、滑移構(gòu)造體橫向彎曲及縱向縮短沿構(gòu)造面滑移巖體破壞機(jī)制材料的張及剪破壞沿構(gòu)造面滑動(dòng)、構(gòu)造體滾動(dòng)、構(gòu)造體張及剪破壞彎折、潰屈、傾倒滑動(dòng)沿軟弱構(gòu)造面滑動(dòng)巖體力學(xué)性質(zhì)控制因素材料及環(huán)境因素材料、構(gòu)

4、造效應(yīng)及環(huán)境因素軟弱構(gòu)造面及構(gòu)造體軟弱構(gòu)造面巖體力學(xué)性質(zhì)研究方法典型地質(zhì)單元三軸力學(xué)試驗(yàn)及尺寸效應(yīng)巖塊三軸試驗(yàn)、尺寸和圍壓效應(yīng)軟弱構(gòu)造面力學(xué)性質(zhì)及彈性模量軟弱構(gòu)造面力學(xué)性質(zhì)及爬坡角理論巖體力學(xué)分析方法連續(xù)介質(zhì)巖體力學(xué)碎裂介質(zhì)巖體力學(xué)板裂介質(zhì)巖體力學(xué)塊裂介質(zhì)巖體力學(xué)對(duì)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(zhì)構(gòu)造面發(fā)生剪切破壞、巖石塊體的塌落和板狀構(gòu)造巖體的傾倒、上部巖體沿巖層層面或較軟弱夾層發(fā)生剪切滑動(dòng)等。李鐵峰將基巖斜坡的變形形式進(jìn)展了總結(jié)，根據(jù)構(gòu)造面傾向、傾角與斜坡產(chǎn)狀之間的關(guān)系，以及軟弱夾層的發(fā)育情況，將斜坡的變形形式分為傾倒變形、潰屈型破壞、順層滑動(dòng)破壞、裂隙

5、滑動(dòng)、侵入接觸滑動(dòng)、拉裂脫離母巖崩塌、壓縮流變。三、巖體構(gòu)造力學(xué)的分析方法早期多數(shù)把巖體看成連續(xù)的介質(zhì)，用一些連續(xù)的線性分析方法來解決巖體力學(xué)問題。根據(jù)巖體不連續(xù)、方向異性等特點(diǎn)，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，其理論根底更符合巖體的性狀。離散元法DisreteEleentethd考慮構(gòu)造體受力后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及由此導(dǎo)致受力狀態(tài)及系統(tǒng)的變形塊體運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間的變化，該法由undll于1971年首次提出，用來計(jì)算構(gòu)造面和構(gòu)造體組成巖體的非連續(xù)變形，以后又進(jìn)一步開展了考慮塊體本身的彈性變形，并推廣至三維和動(dòng)力問題。目前，離散元應(yīng)用的文章較多，而研究根底計(jì)算方法的

6、文章很少，因此，加強(qiáng)離散元法根底理論、根底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(diǎn)，使之既能保持在描繪散體的整體力學(xué)行為和力學(xué)演化全過程方面的優(yōu)勢(shì)，又能有效描繪介質(zhì)部分連續(xù)處應(yīng)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(gòu)仿真，受力仿真和過程仿真的原那么，是離散元法研究領(lǐng)域的首要工作。塊體理論由石根華1977提出并在美與Gdan合作完善起來的，應(yīng)用幾何學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)碎裂構(gòu)造巖體。近些年，塊體理論在巖體工程中應(yīng)用非常廣泛，E.Hek等1998應(yīng)用塊體理論開發(fā)了用于地下開挖工程的分析程序Unedge；2001年Rsiene公司推出了Sedge4.0，該軟件可以用來計(jì)算邊

7、墻塊體的體積及穩(wěn)定系數(shù)。汪衛(wèi)明、陳勝宏1998在矢體概念的根底上開發(fā)出三維巖石塊體系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)別方法，該方法可以有效解決包含不規(guī)那么地形面和非貫穿構(gòu)造面等情況下的復(fù)雜塊體的識(shí)別問題；盧波、陳劍平等通過應(yīng)用隨機(jī)不連續(xù)面三維網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)對(duì)復(fù)雜有限塊體的自動(dòng)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(jié)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(jī)概率模型引入分形塊體理論，研究了三峽高邊坡關(guān)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(yīng)用該法分析了某礦卷揚(yáng)機(jī)硐室的穩(wěn)定性；趙文

8、把概率理論引入節(jié)理跡長(zhǎng)分布的研究之中，推導(dǎo)了多組節(jié)理切割巖體形成關(guān)鍵塊體概率的計(jì)算公式，從而使原來的一些關(guān)鍵塊體轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定塊體，減少了關(guān)鍵塊的數(shù)量。近年來，石根華又將塊體理論進(jìn)一步開展，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(jiǎn)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(diǎn)接觸。國(guó)內(nèi)已研制了二維DDA程序軟件，并與日本九州大學(xué)環(huán)境地盤工學(xué)研究中心合作將三維塊體分析方法應(yīng)用于三峽船閘高邊坡的巖體穩(wěn)定分析，并對(duì)船閘開挖施工過程及其支護(hù)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、巖體構(gòu)造

9、控制論的工程應(yīng)用隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開展和大型建立工程的施行，涉及到大量的地下工程建立工程，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(xiàng)主要研究工作就是分析圍巖應(yīng)力重分布特點(diǎn)以及變形破壞規(guī)律，這些都要受到巖體構(gòu)造的控制。例如：康立勛通過研究塊狀構(gòu)造巖體中自重應(yīng)力傳播的法那么，得到了巖體的應(yīng)力大小受巖塊數(shù)量以及巖塊幾何參數(shù)控制的結(jié)論，并將研究結(jié)果用于計(jì)算煤炭地下采場(chǎng)頂構(gòu)造載荷。隧道工程中巖爆和巖體構(gòu)造關(guān)系親密，完好性好的巖體易發(fā)生巖爆，當(dāng)節(jié)理裂隙發(fā)育到一定程度一般不會(huì)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(guān)系與巖爆有重要的關(guān)系；優(yōu)勢(shì)節(jié)理組與最大主應(yīng)力的夾角大小也與巖爆嚴(yán)密相關(guān)。上

10、面提到了巖質(zhì)邊坡變形破壞形式主要受控于巖體的巖性和構(gòu)造特性。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(shí)，應(yīng)根據(jù)巖體的巖性、巖體構(gòu)造特性等對(duì)邊坡進(jìn)展分區(qū)，分析各區(qū)巖體力學(xué)機(jī)制和變形破壞機(jī)制，再結(jié)合邊坡開挖各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。一般計(jì)算地基沉降變形時(shí)，把地基巖體當(dāng)作各向同性介質(zhì)，未考慮構(gòu)造面的影響。其實(shí)，當(dāng)巖體中的節(jié)理裂隙發(fā)育程度及方位滿足某種條件時(shí)，那么地基的滑移變形將受其中的優(yōu)勢(shì)構(gòu)造面控制。如：章楊松等對(duì)潤(rùn)揚(yáng)大橋節(jié)理化巖體，運(yùn)用優(yōu)勢(shì)構(gòu)造面理論，分析確定了影響和控制巖體地基沉降變形的優(yōu)勢(shì)構(gòu)造面組合，提出了“優(yōu)

11、勢(shì)構(gòu)造面模型與“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結(jié)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(duì)巖體的受力和變形的影響的數(shù)值分析方法計(jì)算時(shí)輸入了眾多組構(gòu)造面的參數(shù)，而考慮優(yōu)勢(shì)面時(shí)只輸入兩組左右優(yōu)勢(shì)面的參數(shù)，次要的構(gòu)造面那么忽略之。在一樣力條件下，考慮優(yōu)勢(shì)構(gòu)造面影響時(shí)，計(jì)算的地基變形大于不考慮優(yōu)勢(shì)構(gòu)造面影響時(shí)計(jì)算的地基變形，說明優(yōu)勢(shì)構(gòu)造面對(duì)地基的變形有明顯的影響，因此也將影響地基的承載力。五、結(jié)論本文從巖體工程地質(zhì)模型、構(gòu)造力學(xué)模型、分析方法和工程應(yīng)用這四個(gè)方面總結(jié)了巖體構(gòu)造控制論的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。根據(jù)巖體的巖性特征、構(gòu)造面發(fā)育情況、巖體的地應(yīng)力、地下水條件等建立巖體的工程地質(zhì)模型，并將巖體劃分為四種力學(xué)模型，分析巖體構(gòu)造控制下的變形破壞機(jī)制。介紹了目前用于不連續(xù)巖體構(gòu)造計(jì)算的方法。對(duì)巖體構(gòu)造控制論在地下工程、邊坡工程、庫岸工程和地基根底中的應(yīng)用作了簡(jiǎn)單介紹。參考文獻(xiàn)1孫廣忠.巖體構(gòu)造力學(xué).北京.科學(xué)出版社.1988.2孫玉科.巖體構(gòu)造力學(xué)巖體工程地質(zhì)力學(xué)的新開展.J.工程地質(zhì)學(xué)報(bào).1997.5.4.3許兵.關(guān)于巖體構(gòu)造力學(xué)根本觀點(diǎn)討論試論孫廣忠教授的巖體力學(xué)道路.J.工程地質(zhì)學(xué)報(bào).1997.5.4