巖體結(jié)構(gòu)控制論的研究和應(yīng)用

巖體結(jié)構(gòu)控制論的研究和應(yīng)用

摘要：巖體由結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成，其結(jié)構(gòu)特性是巖體力學(xué)行為、變形和破壞形式的主要控制因素。巖體結(jié)構(gòu)控制論是巖體工程的基礎(chǔ)理論。本文從巖體結(jié)構(gòu)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)用的巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，并簡(jiǎn)要介紹了巖體結(jié)構(gòu)控制論的工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：巖體結(jié)構(gòu)控制論工程地質(zhì)模型分析方法

一、巖體結(jié)構(gòu)的工程地質(zhì)模型

巖體形成和發(fā)展過(guò)程伴隨著各種內(nèi)、外地質(zhì)營(yíng)力的作用，從成巖的類(lèi)型分為沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖三大類(lèi)，由于結(jié)構(gòu)面的存在使巖體具有一定的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)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(wèn)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)基本的地質(zhì)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(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)查巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征以及與結(jié)構(gòu)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，再與上述的基本類(lèi)型進(jìn)行對(duì)比，選擇適合巖體工程的模型。為了便于后面的力學(xué)分析，在建立地質(zhì)模型時(shí)從各基本模型的共性特征入手，并根據(jù)工程自身的特點(diǎn)充分體現(xiàn)其個(gè)性的一面。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、巖體結(jié)構(gòu)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)

巖體結(jié)構(gòu)完整結(jié)構(gòu)

2、高地應(yīng)力下散體結(jié)構(gòu)及碎裂結(jié)構(gòu)

低地應(yīng)力下條件下碎裂結(jié)構(gòu)及粗碎屑散體結(jié)構(gòu)

板裂結(jié)構(gòu)

部分碎裂結(jié)構(gòu)

塊裂結(jié)構(gòu)

巖體變形機(jī)制

結(jié)構(gòu)體壓縮及剪切為主

結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)面

結(jié)構(gòu)體橫向彎曲及縱向縮短

沿結(jié)構(gòu)面滑移

巖體破壞機(jī)制

材料的張及剪破壞

沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)、結(jié)構(gòu)體滾動(dòng)、結(jié)構(gòu)體張及剪破壞

彎折、潰屈、傾倒滑動(dòng)

沿軟弱結(jié)構(gòu)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、結(jié)構(gòu)效應(yīng)及環(huán)境因素

軟弱結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)體

軟弱結(jié)構(gòu)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)

軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)及彈性模量

軟弱結(jié)構(gòu)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)結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞、巖石塊體的塌落和板狀結(jié)構(gòu)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模式進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)結(jié)構(gòu)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，將斜坡的變形模式分為傾倒變形、潰屈型破壞、順層滑動(dòng)破壞、裂隙滑動(dòng)、侵入接觸滑動(dòng)、拉裂－脫離母巖－崩塌、壓縮流變。

三、巖體結(jié)構(gòu)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(lái)解決巖體力學(xué)問(wèn)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，其理論基礎(chǔ)更符合巖體的性狀。

離散元法考慮結(jié)構(gòu)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)的變形隨時(shí)間的變化，該法由Cundll于1971年首次提出，用來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體組成巖體的非連續(xù)變形，以后又進(jìn)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(dòng)力問(wèn)題。目前，離散元應(yīng)用的文章較多，而研究基礎(chǔ)計(jì)算方法的文章很少，因此，加強(qiáng)離散元法基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)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)，使之既能保持在描述散體的整體力學(xué)行為和力學(xué)演化全過(guò)程方面的優(yōu)勢(shì)，又能有效描述介質(zhì)局部連續(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，物理仿真，受力仿真和過(guò)程仿真的原則，是離散元法研究領(lǐng)域的首要工作。

塊體理論由石根華提出并在美與Goodman合作完善起來(lái)的，應(yīng)用幾何學(xué)、拓?fù)鋵W(xué)碎裂結(jié)構(gòu)巖體。近些年，塊體理論在巖體工程中應(yīng)用十分廣泛，E.Hoek等應(yīng)用塊體理論開(kāi)發(fā)了用于地下開(kāi)挖工程的分析程序—Unwedge；2001年Rocscience公司推出了，該軟件可以用來(lái)計(jì)算邊墻塊體的體積及穩(wěn)定系數(shù)。汪衛(wèi)明、陳勝宏在矢體概念的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出三維巖石塊體系統(tǒng)的自動(dòng)識(shí)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(jié)構(gòu)面等情況下的復(fù)雜塊體的識(shí)別問(wèn)題；盧波、陳劍平等通過(guò)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?yè)P(yáng)機(jī)硐室的穩(wěn)定性；趙文把概率理論引入節(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(lái)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(lái)，石根華又將塊體理論進(jìn)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(jiǎn)稱(chēng)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(pán)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(kāi)挖施工過(guò)程及其支護(hù)效果的數(shù)值模擬，繪制了各開(kāi)挖步序的巖體變形等值線圖。

四、巖體結(jié)構(gòu)控制論的工程應(yīng)用

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和大型建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，涉及到大量的地下工程建設(shè)項(xiàng)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(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，這些都要受到巖體結(jié)構(gòu)的控制。例如：康立勛通過(guò)研究塊狀結(jié)構(gòu)巖體中自重應(yīng)力傳播的法則，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)頂結(jié)構(gòu)載荷。隧道工程中巖爆和巖體結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，完整性好的巖體易發(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緊密相關(guān)。

上面提到了巖質(zhì)邊坡變形破壞形式主要受控于巖體的巖性和結(jié)構(gòu)特性。如：河西走廊金川露天礦上盤(pán)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、巖體結(jié)構(gòu)特性等對(duì)邊坡進(jìn)行分區(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(kāi)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)，未考慮結(jié)構(gòu)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)，則地基的滑移變形將受其中的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)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)結(jié)構(gòu)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)結(jié)構(gòu)面組合，提出了“優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)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(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)輸入了眾多組結(jié)構(gòu)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)，次要的結(jié)構(gòu)面則忽略之。在相同力條件下，考慮優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面影響時(shí)，計(jì)算的地基變形大于不考慮優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面影響時(shí)計(jì)算的地基變形，說(shuō)明優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面對(duì)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(jié)論

本文從巖體工程地質(zhì)模型、結(jié)構(gòu)力學(xué)模型、分析方法和工程應(yīng)用這四個(gè)方面總結(jié)了巖體結(jié)構(gòu)控制論的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀。根據(jù)巖體的巖性特征、結(jié)構(gòu)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，分析巖體結(jié)構(gòu)控制下的變形破壞機(jī)制。介紹了目前用于不連續(xù)巖體結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法。對(duì)巖體結(jié)構(gòu)控制論在地下工程、邊坡工程、庫(kù)岸工程和地基基礎(chǔ)中的應(yīng)用作了簡(jiǎn)單介紹。

參考文獻(xiàn)

[1]孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué).[M].北京.科學(xué)出版社.1988.

孫玉科.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)—巖體工程地質(zhì)力學(xué)的新發(fā)展.[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào).

許兵.關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)基本觀點(diǎn)探討—試論孫廣忠教授