（岩土工程专业论文）基于块理论的岩体隧道三维程序研制及其应用.pdf

酶 ， l o at h e s i sf o rm a s t e rd e 3 dr o c kt u n n e ls o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n di t sa p p l i c a t i o n b a s e do nk e yb l o c kt h e o r y b yz h a n gy a b i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t e p r o f e s s o r w a n gs h u h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 0 8 1 吩一 本人声明所呈交的学 究成果。据我所知，除了 人已经发表或撰写过的研 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：瓣字日期：p 呕年月归 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本人授 权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：懈 签字日期。羽洚d7 月j 7 伊日 导师签名：越p 签字日萨妙巾 - ， 一 。j 一 吨 一 东北大学硕士论文摘要 摘要 作为基础设施建设重要组成部分的岩体隧道工程，近年来在我国无论数量还是质量 上都有了长足的进展。其中有相当数量的隧道工程建设在山区，隧道岩体作为非均匀介 质，其力学性质与土体等其它介质明显不同。 隧道围岩中结构面的存在对围岩的力学性质具有非常大的影响，研究工程岩体的力 学行为，必须首先清楚围岩中结构面的分布情况、力学性质。实践表明：坚硬岩体隧道 的变形和破坏规律主要取决于岩体结构面的性质，隧道工程的稳定性状态受到围岩自身 结构的控制。围岩中的结构面相互切割形成各种形状的块体，由于实际项目施工过程中 的各种扰动行为，在隧道工程临空面上很容易形成“关键块体 ，对施工工人和隧道稳 定性构成一定的威胁。 为保证施工过程安全性和隧道工程结构稳定性，采取一定的方法和手段研究和控制 岩体结构面的变形和破坏，加强对隧道围岩结构面的研究，预测并控制“关键块体的 稳定性，就显示出相当的重要性。 本论文在现场调研和大量文献的基础上，阐述了各种结构面理论以及在此基础之上 的块体理论等相关原理和研究方法；基于块体理论以及现有面向对象的编程技术，开发 出了岩体稳定性分析的功能模块，重点介绍了关键块体搜索模块前台数据输入和后台数 据处理实现方法；以及v i s u a lc + + 和o p e n g l 混合编程实现隧道工程的三维显示和旋转 等实现方法；最后，采用g e o s m a l 0 对沈大高速公路韩家岭隧道关键块体进行了模拟。 关键字：岩体隧道结构面块体理论蒙特一卡罗法g e o s m a l 0 、- 一 - p 、 0 “ f 东北大学硕士论文 a b s t l a c t a b s t r a c t n l et u n n e ls t r u c t u r et e c h n i q u e ，a sp a r to fb a s i cf a c i l i t i e s ，h a sd e v e l o p e dg r e a t l yb o t hi n q u a n t i t ya n dq u a l i t yi nc h i n ar e c e n t l y a m o n gt h e s et u n n e ls t r u c t u r e s ，n u m e r o u so fw h i c ha r e b u i l t u pi n t h e m o u n t a i na r e aa n dt h ef a c t b r i n g sm a n yp r o b l e m st h a t a s ak i n do f n o n c o n t i n u o u sm e d i a , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fr o c km a s si sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h es o i l l n a s s t h ee x i s t e n c eo ft h es t r u c t u r a lp l a n e si nt h er o c km a s sa f f e c t st h em e c h a n i c a lp r o p e r t y d r a m a t i c a l l ys ot h ed i s t r i b u t i o na n dm e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h es t r u c t u r a lp l a n e ss h o u l db e i n v e s t i g a t e di fw ew a n tt os t u d yi n t e n s i v ep a r a m e t e r sf o rt h et u n n e ls t m c t l l r e s t h ef a c ts h o w s t h a tt r a n s f o r m a t i o na n df a i l u r eo fr o c km a s sd e p e n do nt h es t r u c t u r a lp l a n e sp r o p e r t ya n ds o t h et u n n e ls t r u c t u r e ss t a b i l i t yd e p e n d so nt h er o c km a s s s t r u c t u r a lp l a n e s ，n l eb l o c k s ，w h i c h a r es h a p e db yt h es t r u c t u r a lp l a n e sc u t t i n gt h r o u g ht h er o c km a s s ，a l ee a s i l yb e c o m e st h e “k e y b l o c k s a r o u n dt h et u n n e ls m 】c 由l r e sb ym e a n so ft h ed i s t u r b a n c ei nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s t h e s e k e yb l o c k s m a yc a u s es e v e r ec o n s e q u e n c e sf o rt h es a f e t yo fw o r k e r sa n dt h et u n n e l s m l c t i l r ei t s e l f i nt h i ss t u d y , 0 1 1t h eb a s i so fm a n yp a p e r s ，a l lk i n d so fs t r u c t u r a lp l a n e st h e o r ya n dt h eb l o c k t h e o r ya r ed i s c u s s e di nt h ef i r s t t h e nt a k i n gt h es a f e t yo ft t m n e ls n u c t u r e sa st h er e s e a r c h o b j e c ta n du s i n gm o n t ec a r l oa n dt h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d , t h eg e o t e c h n i c a ls t l l l c t l i ea n d m o d e la n a l y s i s1 0 ( g e o s m a1 o ) i sd e v e l o p e d i nt h i sp a r t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et r e a t i n g p r o c e s sf o ri n p u t t i n gd a t aa n da l g o r i t h ma n da l s ot h em i x e dp r o c e d u r eo fv i s u a lc + + a n d o p e n g lf o rp i c t u r i n ga n dr o t a t i n gt h et u n n e ls t r u c t u r e si nt h r e ed i m e n s i o ns p a c e s f i n a l l y , w e a n a l y s i st h es t a b i l i t yo fh a r d i a l i n gt u n n e ls t r u c t u r eb yu s i n gg e o s m a 1 0 k e yw o r d s ：r o c kt u n n e ls t r u c t u r e s n u c t u r a lp l a n e s k e yb l o c kt h e o r y m o n t ec a r l o m e t h o dg e o s m a1 o i i i 、 f 一 、 一 氏 ， 1 1 引言 1 2 国内外研究现状 1 3 块体理论与其它研究方法的对比 1 4 本论文研究内容 1 5 本章小结 第2 章岩体结构面及块体理论9 2 1 结构面理论9 2 1 1 结构面对岩体工程性质的影响9 2 1 2 岩体结构面的分级1 0 2 1 3 结构面几何模型1 1 2 1 4 结构面力学效应1 3 2 2 块体理论基本原理1 6 2 2 1 块体概念1 7 2 2 2 块体可动性判断1 8 2 2 3 块体稳定系数2 4 2 2 4 块体安全系数2 6 2 3 本章小结2 7 第3 章岩体结构面模拟及块体搜索2 9 3 1 蒙特卡罗模拟2 9 3 1 1 随机数生成方法3 0 3 1 2 随机数生成程序3 2 3 1 3 伪随机数的检验3 6 3 2 岩体结构面模拟3 7 3 2 1 基本假设3 7 3 2 2 结构面网格模拟3 7 3 3 随机块体搜索4 2 3 4 本章小结4 4 第4 章面向对象的软件开发4 5 4 1 面向对象的编程4 5 i v 东北大学硕士论文 目录 4 1 1 面向对象编程思想4 5 4 1 2 面向对象的编程工具4 6 4 1 3a p i 和s d k 4 7 4 2g e o s m a 关键技术4 8 4 2 1 原始数据输入4 8 4 2 2 图形图像处理5 2 4 2 3g e o s m a 与a u t o c a d 接口5 9 4 3g e o s m a 基本功能6 2 4 4 本章小结6 8 第5 章工程应用6 9 5 1 工程概况6 9 5 2 野外地质调研7 0 5 3g e o s m a 在隧道稳定性分析中的应用7 l 5 4 本章小结7 6 第6 章结论与展望7 7 6 1 研究结论7 7 6 2 展望7 7 参考文献7 9 作者简介8 2 攻读硕士学位期问发表的论文8 3 g e o s m a1 0 计算机版权证书8 4 致谢8 5 v 东北大学硕士学位论文第1 章概述 1 1 引言 第1 章概述 作为岩体力学主要研究对象的岩体，是在漫长的地质历史发展过程中形成的古老而 又极为复杂的天然地质体，它经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内 部保留了各种永久变形和地质构造形迹。岩体最大的特点在于其中存在结构面，所谓结 构面是指在地质发展历史中，在岩体内形成的具有一定方向、一定规模、一定形态和特 性、力学强度相对较低的面、缝隙以及带状的地质界面，如岩层层面、片理、节理、软 弱夹层、裂隙，以及断层破碎带等宏观讲，岩体可以视为由结构面和由结构面切割形成 的块体组合成的集合体。 岩体的破坏可分为变形破坏和块体失稳破坏，从大量的工程实践可以看出，在涉及 岩体的大型地下结构开挖过程中，岩体的破坏形式多表现为块体的失稳破坏，并且，地 下结构围岩分类和围岩支护的设计均与块体的稳定性有密切关系，这就说明，块体稳定 性的研究是与生产实践紧密结合的。因此在地下结构稳定性分析及施工中，块体稳定性 是分析地下结构围岩整体稳定性的一项极为重要的内容，应给予高度重视。 目前关于岩体工程稳定性分析的分析方法很多，其中块体理论( b l o c kt h e o r y ) 是近年 来发展和完善起来的一种。1 9 8 2 年r e g o o d m a n 和s h i 正式提出了块体理论 1 4 ，随 着国内外学者认识和研究的深入，块体理论日益被广泛接受。块体理论假定岩体结构面 为平面、结构面切割而成的块体为刚体、块体失稳为脱离岩体或沿结构面产生剪切滑移 等平动形式，利用几何拓扑学方法分析不同开挖面上可能出现或已出现的可移动块体、 关键块体的类型，分析块体的几何形态特征，块体失稳模式，并结合刚体极限平衡分析， 计算块体的稳定性，探讨相应的工程支护措施。块体理论已成为工程岩体稳定分析的一 种有效方法，在国内外己得到较为广泛的应用，目前在中国、美国、日本、以色列等国 掀起了研究和应用的相对高潮。 块体理论的精髓在于几何拓扑学方法在岩体稳定性分析中的应用。通过严格的数学 证明，建立块体的“有界性定理 和“可移动性定理 ，通过这两个定理，就可在由结 构面和开挖面形成的向量空间中，通过求解向量空间的全部交集( 即向量不等式方程组) 得到有限或无限块体，并得到所有几何可移动块体。块体理论用于分析不同产状的结构 面切割能否形成块体，块体能否在不同的开挖面上出现，以及块体的形态特征，失稳模 东北大学硕士学位论文第1 章概述 式等；在块体稳定性力学分析中，根据极限平衡分析思想，计算块体的稳定性安全系数， 若块体在各种外力合力的作用下不能自稳，则称为关键块体，需要进行工程支护。 图1 1 被多组结构面切割的岩体 f i g1 1t h er o c km a s sc u tb yg r o u p so fs t r u c t u r a lp l a n e s 由于块体理论将几何拓扑学成功地应用到了岩体稳定性分析领域，解决了一些其它 数学、力学分析方法难以解答的问题，如块体存在性判断，因此块体理论在工程岩体稳 定性分析中具有强大的、独特的生命力。 块体理论和其它各种理论一样，有其特定的适用性。块体理论主要用于分析块状岩 体的稳定性，岩体中的岩石一般比较坚硬，被相距米级的结构面( i 、级结构面) 切 割而成块体状；结构面的力学性能指标比岩石要低得多，岩块可相对看作刚体。除此之 外，块体理论对其它类型及性状的岩体也具有一定的适用性。 1 2 国内外研究现状 传统意义上的块体理论，主要研究岩体在结构面切割下，能否在特定的开挖面上形 成可移动块体，并计算分析块体的稳定性，确定需进行工程支护的关键块体。随着块体 理论的发展，其内涵得到不断地丰富，并且与其它一些学科或分析方法发生交叉，使得 块体理论研究领域得到拓展与延伸。 自1 9 8 5 年块体理论正式提出以来，块体理论一直受到国内外科研人员与工程技术 人员的重视。在国内，早期主要集中在理解、应用块体理论上，1 9 8 8 年石根华博士在国 内举办了块体理论讲习班，并发布了最初的块体理论计算分析程序，国内多家单位在此 基础上，进行了工程分析应用。并且，块体理论出现了中文版译著，如文献 5 ，促进 了块体理论在中国的推广。近1 0 多年以来，不少学者对块体理论的理论问题进行了较 2 东北大学硕士学位论文 深入的研究，并在工程应用范围上进行了拓展。块体理论的研究成果主要包括以下几方 面： ( 1 ) 块体稳定性分析方法 块体稳定性分析包括确定性分析和随机性分析两方面： 文献 6 - 7 讨论了地震、地下水、锚固力等多种外荷作用下块体稳定分析方法。文献 8 考虑了块体在锚固作用下的稳定性，提出了锚固力分析的一些建议；文献 9 讨论了 锚固力方向优化问题。 ( 2 ) 随机块体几何问题分析方法 基于结构面的几何、力学特征具有随机变化的特点，采用概率统计学、可靠度理论 与块体理论相结合，进行了随机块体问题的研究。在随机块体几何问题研究中，主要内 容是随机结构面的现场调查统计、结构面迹长、间距、产状等概率分布模型研究、结构 面网络的计算机模拟、随机块体的搜索、随机块体的分布特征等问题的研究。 文献 1 0 - 11 较系统地总结了结构面产状、长度、间距等的现场调查统计方法，及 其满足的概率分布模型，文献 1 0 还总结了结构面形态模型，如正交模型、圆盘模型等。 文献 1 2 价绍了统计窗法；文献 1 3 采用b a y e s 统计方法研究了结构面倾向的概率分布 问题；文献 1 4 在测线法的基础上，提出了正交测线网法用于测量分析结构面的间距等 等。 基于结构面几何特征的统计分布规律，可进行结构面网络计算机模拟研究，在这方 面的成果较多，如文献 1 5 - 1 6 。其中，文献 1 5 在三维空间上进行了结构面网络模拟， 并进行了随机块体搜索分析，将随机块体可能出现的最大边界认为随机块体范围，还讨 论了随机块体锚固支护问题；文献 1 6 在随机块体搜索时，认为最小回路即为随机块体 区域。由于进行三维随机块体搜索的研究文献不多，因此对搜索后的随机块体进行块体 几何特征统计分析的研究文献很少见。 文献 1 7 研究了结构面几何参数随机变化时对块体出现概率的影响，讨论了结构面 产状随机变化时块体的稳定性变化问题；文献 1 8 等基于块体迹长的分布形式( 负指数 分布) ，研究了块体大小的分布形式，给出了较大尺寸的块体的出现概率；文献 1 9 根 据结构面间距研究了随机块体的出现概率与大小分布。 ( 3 ) 块体几何构形分析 块体几何构形方面的研究较少，尤其是对于复杂构形的块体，如凹形体。文献 2 0 1 讨论了凹形体问题，但主要讨论的是消影问题。文献 2 1 进行了相对较简单的凹形体分 析，并画出了三峡船闸出现的凹形块体，值得借鉴；文献 2 2 引用了矢体的概念进行类 东北大学硕士学位论文第1 章概述 似研究。 ( 4 ) 块体理论计算软件应用开发 1 9 8 8 年石根华博士在国内举办的讲习班上发布了块体理论计算程序，国内多家单位 在此基础上，进行了工程分析应用。文献 7 提出了针对边坡块体稳定的分析软件，但 其研究对象是边坡，并且缺乏如赤平投影等块体理论的基本分析功能，因此不是真正意 义上的块体理论计算软件。其它软件如楔形体稳定性分析等，也与块体理论计算软件有 较大的差别。目前国内多家单位拥有块体理论计算程序，各单位发展水平不一，并且由 于缺乏在统一的开发平台上进行集成开发，各分析功能相对零散，操作不便，给工程应 用带来不便，也约束了块体理论的发展与推广。 国外对块体理论的研究与国内相比，在以下方面具有特色： ( 1 ) 注重对结构面调查、原始资料分析工作。在结构面地质统计方法研究中，出现 了测线法( p r i e s t & h u d s o n ，1 9 7 6 ，1 9 8 1 ) 、统计窗法( k u l a t i l a k e ，1 9 8 4 ) 等；对结构面的随机 特征研究较为深入严谨，如 2 3 】较深入地研究了结构面迹长、间距、产状等的随机分布 特征；文献 2 4 】研究了迹线长度与假定结构面为圆盘时的直径之间的关系：文献【2 5 】研 究了结构面间距的分布特征及其与r q d 的关系。文献【2 6 】根据结构面间距等分析不连续 体的面积、体积。文献 2 7 】考虑结构面间距、长度等分布，对块体的尺度、空间分布规 模等进行研究。文献 2 8 】根据结构面信息生成了岩体结构模型。文献【2 9 】对三峡工程船 闸附近的勘探洞内结构面调查结果进行了较详细的统计分析。 ( 2 ) 平衡区域图，或称为 p l o n d e 图】在块体稳定性分析、失稳模式判别与支护力分 析中的应用，如文献 3 0 】。由于国内在结构面抗剪强度参数的取值方面，一般都考虑粘 聚力作用，而国外通常只考虑摩擦角，因此可以较方便地将平衡区域图应用在块体稳定 性分析中。 ( 3 ) 在对结构面的力学性能随机问题和环境因素影响问题研究方面较为深入，如 b a t o n ( 1 9 7 7 ) 等研究了粗糙度对抗剪强度的影响、结构面法向刚度的影响等。 ( 4 ) 以石根华博士为代表，进行了随机块体几何分析，通过结构面网络模拟，并将迹 线图展开，在二维平面上搜索出随机块体可能出现的最大区域，文献【3 1 】等进行了节理 网络模拟，并进行了随机块体搜索，但是在二维下完成的；文献 3 2 】对结构面迹长、间 距等服从的概率分布模型及结构面网络模拟方法进行了较系统的总结，考虑了结构面几 何参数满足的多种分布模型，给出了较好的三维节理网络模拟结果。 ( 5 ) 在块体理论的基础上，考虑结构面与岩块的变形，发展了非连续变形分析 ( d d a ) ，如文献 3 3 3 4 。该法在块体切割、几何拓扑等问题的研究与块体理论相似，可 4 ( 6 ) 文献 3 6 1 基于组合拓扑学及s i m p l i c i a lh o m o l o g y 理论，采用了链( c h a i n ) 、循环 ( c y c l e ) 、边界同胚( b o u n d a r yh o m e o m o r p h i s m ) 等概念，讨论了几何形体的构造方法，该 方法较为复杂繁琐，且文献中给出的结果不能充分说明这种方法能够分析复杂凹形块体 问题。文献【3 7 】提出了关键块体群方法( k e y g r o u pm e t h o d ) ，该方法将相邻的块体组合 在一起，判断组合后的“大块体 是否稳定。 ( 7 ) 采用照相技术，对施工开挖所揭露的结构面进行现场勘察与记录，并判断关键块 体，如文献【3 8 】。该法在结构面现场勘察统计方面可发挥高效、准确的作用，但在关键 块体判断上存在问题，因通过照相技术勘察得到的结构面资料，实为开挖面上的结构面 迹线信息，不能就此判断结构面在岩体内部是否相交，因此在关键块体识别上可能存在 较大误差。 ( 8 ) 美国p a n t e e h n i c a 公司开发有块体理论分析软件，日本也开发有块体理论分析软 件。但根据掌握的有关资料分析，该类软件的分析功能不是十分强大，进行的是一些比 较常见的分析，不能很好地代表当今块体理论的发展水平，且尚未被国际广泛接受。 1 3 块体理论与其它研究方法的对比 关于工程岩体稳定性分析计算的方法很多，这里只介绍两种近年发展迅速的方法。 ( 1 ) 连续介质分析方法 以有限元法( f e m ) 为代表的连续介质分析方法。此种方法以弹塑性力学为理论基 础，通过求解力学基本方程，并根据岩土体破坏准则，计算岩土体在一定的环境条件( 自 重、外荷载等) 下的应力场、变形场和塑性区分布，获取可能发生破坏的部位或区域， 对岩土体的稳定性进行评价。岩体中存在的结构面对岩体稳定性影响至关重要，有限元 法采取节理单元考虑结构面的影响，但在模拟结构面非连续变形与大变形问题时经常难 以给出令人满意的结果，且考虑的结构面数量有限：另外，该方法在描述岩土体破坏后 强烈的非线性特征及大变形方面有较大的局限性。近年来，为了更真实地模拟结构岩体 的复杂力学行为，发展有自适应有限元法、能适应大变形的显式有限差分法( f l a g ) 等。 ( 2 ) 非连续介质分析方法 离散单元法( d e m ) 假设岩体是由大量结构面和被其切割的“岩块组成，运用牛顿 第二定律计算各岩块在自重和外荷载的作用下随时间而产生的加速度、速度和位移。此 方法可以模拟复杂结构岩体、岩块沿结构面产生滑动、转动等大变形直至破坏的全过程， 5 东北大学硕士学位论文第1 章概述 但由于它的基本假设是岩体为离散介质，不能用于模拟岩体从连续介质的微小变形到局 部破裂的过程。离散元可以考虑结构面的影响，但岩体需被完全切割，且结构面切割后 的块体为凸体，实际工程条件往往难以满足这些条件。 不连续变形分析( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 法( 简称d d a ) ，按最小势能原 理建立总体平衡方程式，通过施加或去掉块体界面的刚硬弹簧，使得块体单元界面之间 不存在嵌人和拉开现象，由此满足位移边界条件。d d a 已克服了单纯几何分析方法的 不足，允许块体本身有变形和位移，具有完备的力学、运动学理论及其数值实现、正确 的能量耗散及较高的计算效率，块体间有滑动、转动、张开等运动形式，能得到大变形、 大位移解，因此，d d a 兼有有限元和离散元法的优点，特别适合于模拟结构岩体的不 连续大变形力学行为。d d a 与有限元法的不同之处是：单元界面之间的变形可以是不 连续的；单元形状可以是任意的凸形，凹形或组合多边形，单元之间的接触不一定要求 角点与角点的接触，未知数是所有块体自由度的总和。d d a 既可用于求解静力学问题， 又可进行动力学分析。d d a 法自提出以后，作为岩石工程研究中从连续介质分析方法( 如 有限元) 到非连续变形分析方法拓展的一个重要的数值分析方法，引起了很多学者的兴 趣，就工程应用探讨方面，在坝基稳定、边坡稳定与加固、地下厂房、隧道围岩稳定及 支护等方面取得一定的成果。 块体理论有别于连续或非连续的数值分析方法，并不研究介质的变形、应力分布问 题，同时也和极限平衡分析方法、解析方法等不同。块体理论的独到之处在于打破了传 统的力学分析方法，将几何拓扑学应用于岩体稳定性分析中。块体理论不是从力的平衡、 应力应变关系、介质的变形破坏准则等出发，通过分析岩体内的应力应变场，塑性区分 布等，评价岩体的稳定性；块体理论将工程岩体看作被结构面( 节理、断层、弱面等) 和 工程开挖面共同切割下形成的块体所组成的群体；各块体因几何形态差异、所处的位置 不同，导致它们对岩体稳定性所起的作用不同，一些块体是不稳定的，而另一些是稳定 的。块体理论根据凡何拓扑学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影方法，从块体群中 找出一切几何可移动块体，因而只需对几何可移动块体进行稳定性分析和相应的锚固支 护分析。 采用块体理论进行岩体稳定性分析，可以研究岩体在结构面切割情况下，能否在特 定的开挖面上形成可移动块体和关键块体。块体是否出现及是否稳定，是岩体稳定的基 础。当结构面切割能够形成对岩体稳定造成不利影响的块体时，就需要对块体进行分析， 并针对块体进行支护，然后再采用其它方法，如数值分析方法，分析较大范围的岩体是 否稳定。在此分析过程中，极限平衡分析或数值分析方法不能代替块体理论的分析，因 6 东北大学硕士学位论文第1 章概述 为这些方法研究的是较大范围的岩体的稳定性特征，给出的是岩体的应力、变形特征、 塑性区分布，基本上不可能识别出结构面不同切割条件下开挖面上可能出现的块体，也 就不能针对块体进行几何与力学分析。 另外，块体理论认为块体的运动形式只有3 种平动形式：脱离岩体、单面滑动、双面 滑动，不存在实际岩体破坏可能出现的倾倒、旋转等形式。从岩体的变形破坏机制而言， 岩体中存在张拉开裂、剪切滑移、压剪破坏、弯折破坏等形式，块体理论不涉及岩体破 坏的力学机制问题，若要从块体理论中的3 种运动形式对应出可能的破坏机制，则存在 结构面张开、剪切滑移，不存在开裂，以及压剪破坏、弯折破坏等。综上而言，与其说 块体理论是一种岩体稳定性力学分析方法，不如说是一种几何拓扑学分析方法。 块体理论在块体稳定性力学分析中，吸收了极限平衡分析的思路，将块体视为刚体， 研究作用在块体上的各种力的平衡关系，并考虑若结构面的抗剪性能得到极限发挥时， 块体所能达到的安全系数。 1 4 本论文研究内容 块体理论发展至今，在岩石工程中已经得到较为广泛的应用，伴随着理论研究和工 程应用的发展，块体理论已逐渐被广泛接受。但是正如同其它计算分析方法，块体理论 也需要逐步深入研究、完善，以更好地满足工程岩体稳定分析的需要。 根据国内外块体理论的发展状况和目前在工程应用时面临的一些问题，确定以下方 面作为本论文的主要研究内容： ( 1 ) 地下结构围岩稳定性分析 通过大规模地质野外调查，在充分了解围岩结构面信息的基础上，本研究根据结构 面产状、规模及空间组合方式判断所有潜在的关键块体，以及滑动方式和安全系数，并 对地下结构的施工提供指导。 ( 2 ) 随机块体分析 根据结构面几何性质随机分布的特点，本研究进行结构面网络模拟，进而在此基础 上，进行随机块体搜索分析，在搜索出的随机块体基础上，探索随机块体的分布规律， 评价随机块体的危害性，并为支护设计提供依据。 ( 3 ) 理论研究面临的一般几何、数学和力学问题研究 本研究包括复杂形态的面积、体积计算，在复杂区域内找一点，判断一点是否在一 般形态的区域内、块体稳定性表达等。 ( 4 ) 计算分析软件集成开发 7 东北大学硕士学位论文第1 章概述 本研究应用面向对象的编程技术开发了岩土结构模型分析系统( g e o t e c h n i q u e s t r u c t u r ea n dm o d e la n a l y s i s ) ，简称g e o s m a l 0 。该系统以v i s u a lc + + 6 o 为主要平台设 计界面并分析后台数据，以o p e n g l 进行三维图形图像绘制，并实现了与a u t o c a d 的 接口。 ( 5 ) 结合工程实例，本论文将软件进行实际应用，以检验该软件的先进性和有效性。 1 5 本章小结 本章介绍了块体理论的发展与应用现状，对比了块体理论与其它研究方法在应用过 程中的优劣，最后概括了本论文的主要研究工作，要点如下： ( 1 ) 坚硬岩体失稳过程以及块体理论应用范围； ( 2 ) 块体理论以及结构面理论国内外研究现状； ( 3 ) 块体理论与离散分析方法、连续分析方法之间的异同、块体理论在坚硬岩体稳 定性分析中的应用； ( 4 ) 本论文的研究内容。 8 东北大学硕士学位论文 第2 章岩体结构面及块体理论 2 1 结构面理论 结构面是地质历史发展过程中，在岩体内形成具有一定方向、一定规模、一定形态 和特征的面、缝、层、带状的地质界面。其中：面是指岩块间刚性接触的、无任何充填 的劈理、节理、层面、片理等，是自然界最直观、最易被认识的一类结构面：缝是指有 填充物，而且填充物有一定厚度的裂缝，如泥化夹层、岩脉等。层是指岩层中工程性质 相对软弱的夹层，是物质成分和力学性质有明显差异的两种成层岩石在空间上韵律分布 形成的；带是指具有一定厚度或宽度的构造破碎带、接触破碎带、顺层或层间错动带等。 从定义可以看出，结构面是工程岩体的一种几何属性和力学属性上的不连续面，正是这 种不连续面的存在，使工程岩体失去其连续性和不完整性，从而导致工程岩体工程性质 的复杂性。 2 _ 1 1 结构面对岩体工程性质的影响 结构面是岩体的重要组成部分，是岩体作为工程介质区别于其它工程介质的本质根 源。与土体相比，岩体工程性质的特殊性主要体现在以下三个方面： ( 1 ) 不连续。岩体是由不同规模、不同形态、不同成因、不同方向和不同次序的结 构面以及被结构面切割而成的块体共同组成的综合体，岩体在几何和工程性质上都具有 不连续性。 ( 2 ) 各向异性。由于发育在岩体中的各种结构面均具有明显的方向性，受结构面的 影响，岩体的工程性质呈现显著的各向异性。随着岩体中发育的结构面组数的增多，岩 体工程性质的各向异性程度趋于减弱。 ( 3 ) 非均一。由于岩体工程性质的不连续性、各向异性以及岩体组成矿物的非均质， 加之结构面在岩体不同部位发育程度和分布规律的差异，不同工程部位的岩体常表现出 不同的工程性质。 一般而言，工程岩体稳定性受地质条件和工程作用力的共同制约。工程作用力与工 程的类型、性质和规模直接相关，是通过设计能够清楚了解的；地质条件则是岩体对工 程的适应性，包括岩体结构的工程地质特性、块体滑动的几何条件、地应力和水文地质 9 东北大学硕士学位论文第2 章结构面性质及块体理论原理 条件等，这些条件不同程度地受岩体中结构面的分布位置、产状、数目、规模、充填物 特征、结构面力学性质以及不同结构面之间的切割与组合关系等因素控制。工程岩体的 变形、破坏取决于岩体的结构特征，起决定作用的是软弱结构面的几何特征、力学特征 以及相互之间的组合特征、结构面空间位置与工程作用力方向的关系等等。 岩体工程性质的特殊性决定了岩体工程性质的复杂性，研究表明结构面是岩体工程 性质复杂性的关键所在t 一方面，结构面的存在破坏了岩体的连续性和完整性，使岩体 具有不均一性和各向异性；另一方面，作为岩体组成部分的结构面本身，其几何和力学 上也是错综复杂的。因此，结构面及其工程性质的复杂性是造成岩体工程性质千差万别 的根本原因，结构面及其工程性质的研究是工程岩体分类的基础性工作。 工程实践反复证明，自然岩体和工程岩体的失稳源于结构面，岩体的破坏机制在很 大程度上受结构面的控制，这也是关键块体分析方法的理论依据。结构面的几何特征和 力学特性的研究是工程岩体稳定性评价和加固处理方案确定的基本前提。 2 1 2 岩体结构面的分级 岩体稳定性受结构面所控制，而各种结构面随其发育的规模不同，在科学研究中所 处的地位就不同。对结构面的规模及其对岩体稳定所起作用的分级研究是十分必要的。 根据结构面的走向延展性、纵深发育和宽度( 厚度) 大小，岩体结构面可以分为五级： ( 1 ) i 级结构面 这类结构面一般是指对区域构造起控制作用的断裂带，包括大小构造单元接壤的深 大断裂带，是地壳内巨型地质结构面。走向延伸远，一般在数十公里以上，纵深方向延 伸至少切穿一个构造层，破碎带宽度多在数米以上，其规模在工程范围内可以认为是不 变的。i 级结构面控制了区域稳定性和工程范围内岩体的构造格局，对区域稳定性、山 体稳定性和工程岩体稳定性都有不同程度的影响。 ( 2 ) i i 级结构面 i i 级结构面包括延展性强而宽度有限的地质界面，如不整合面、假整合面、原生软 弱夹层、风化夹层、接触破碎带、以及延展数百至数千米，宽度1 m 以上，但不超过3 5 m 的断层。这级结构面往往贯穿整个工程岩体范围，它们的存在与组合控制了岩体稳定 性和工程岩体的稳定性。 ( 3 ) 级结构面 走向上和纵深方向上延伸有限( 一般数百米) 、宽度小于l m 的断层、挤压或接触破 碎带、风化夹层、原生软弱夹层和层间错动带等。i i i 级结构面直接影响工程具体部位的 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章结构面性质及块体理论原理 岩体稳定，制约着块体滑移机理。级结构面对工程岩体稳定性的影响，通常可用关键 块体分析法和极射赤平投影法进行分析。 ( 4 ) n 级结构面 级结构面主要是岩体中断续分布的节理和层理，包括岩浆岩、变质岩中的原生结 构面和岩体中的次生结构面等。i v 级结构面分布特征是结构面数量众多但规模较小，一 般不能切穿整个工程岩体，只能局部地把岩体切割成块体。i v 级结构面的存在不仅破坏 了岩体的完整性和连续性，直接影响岩体的力学性质和应力分布状态，而且很大程度上 影响岩体的破坏方式。对这类结构面不可能逐个详细进行研究，而必须采用统计方法加 以分析和处理，目前习惯采用节理玫瑰图，极射赤平投影和结构面网络模拟等手段。 ( 5 ) v 级结构面 延展性甚差、无厚度之别、随机分布、为数甚多的细小结构面，主要包括微小的节 理、劈理、隐微裂隙、不发育的片理、线理和微层理等。它们的存在降低了由i v 级结 构面所包围的岩块的强度，而对工程岩体稳定性影响不大。 i 级结构面属于区域稳定性研究领域；i i 级和级结构面控制着工程岩体的稳定 性，往往构成岩体力学作用的边界；级结构面直接影响岩体的完整性，控制了岩体的 强度和变形，其结构面组合对岩体的破坏形式构成影响；v 级结构面可以认为是隐结构 面，在天然状态下对岩体的工程性质影响不大，但在开挖、振动、风化和卸荷等作用下 可分离成显结构面，其作用与级结构面类似。 本论文主要以i 类和类结构面工程性质为主要研究对象。 2 1 3 结构面几何模型 因结构面中节理面占重要比例，本小节介绍的结构面几何模型主要是指节理面的几 何模型。 节理几何模型即单个节理的几何特征，其形成机制是一个复杂的地质力学问题。一 方面由于岩体破裂机理的复杂性和多样性，另一方面由于有限的岩石露头难以展现三维 节理形态的全貌，节理形态的形成机制问题至今没有圆满解决。目前，节理几何模型主 要有三种： ( 1 ) 正交节理模型 正交节理模型是由i r m a y ( 1 9 5 5 ) 、c h i l d s ( 1 9 7 9 ) 、s n o w ( 1 9 6 5 ) 等人最早建立起来的， 该模型假设所有节理均由平行的、无限的、相互正交的三组节理构成( 图2 1 ) ，该模型 对求取节理间距很方便。 东北大学硕士学位论文 第2 章结构面性质及块体理论原理 图2 1 正交节理模型 f i 9 2 1t h em o d e lf o rp e r p e n d i c u l a r i t y j o i n ts e t s ( 2 ) b e a c h e r 圆盘模型 节理圆盘模型是由b e a c h e r 、l a n n e y 和e i n s t e i n ( 1 9 7 8 ) 建立起来的，并得到了广泛 地应用，该模型的特点为节理形态呈椭圆形或圆盘形( 图2 2 ) ，由圆盘的直径或椭圆的 长、短轴来刻画节理规模。 图2 2b e a c h e r 圆盘节理模型 f i g2 2t h em o d e lf o rb e a c h e rc i r c l ej o i n ts e t s ( 3 ) 多边形模型 多边形模型由v e n e z i a n o ( 1 9 7 8 ) 最早提出，它假定节理为相互独立的多边形，该模 型中没有考虑节理交切端点。d e r s h o w w i t z ( 1 9 8 4 ) 考虑了节理交切端点，发展了 v e n e z i a n o 的多边形模型。 徐光黎认为，结晶岩中的节理形态近似呈圆形，沉积岩中的节理近似呈矩形。为了 简便计算，可把任意形态的节理形态转换成等效圆盘，用公式表示为： ( 2 1 ) 届万圣v 2 = d 东北大学硕士学位论文 式中：d 为等效圆盘 在岩体节理面网络模拟时，本文假定： 岩体节理是一个圆盘( 块状岩体) 或薄板( 层状岩体) ； 圆盘或薄板的中心在岩体中呈随机( 或准随机) 分布，基于上述假定，可以通过 岩体露头面与节理交线量测来推求节理几何形态的空间展布特征。 2 1 4 结构面力学效应 孙广忠( 1 9 8 8 ) 指出，岩体结构面的力学性质不能简单地用力学试验的方法来研究， 而应采用结构面典型地质单元的力学试验与结构面地质研究相结合进行综合分析的方 法来解决。 结构面的基本力学性质包括三个方面：在法向应力作用下所产生的法向变形，在剪 切应力作用下所产生的剪切变形和在剪切应力作用下表现出来的抗剪强度。 ( 1 ) 法向变形 软弱结构面和坚硬结构面的法向变形特征大致相同，它们均呈指数