（水工结构工程专业论文）岩体力学行为多层结构模型研究.pdf

攘要 零文藏承王结构王撵巍岩主工程中豹砉薅稳定性趣蘧，获矮论和安黢上进簿了较灸深 入的研究，解决了实际应用中的一些难点问题，对裂隙岩体的本构关系及锚固数值模拟方 法送行了理论舅应蕉搽讨。主黉内容如下： a 通过对裂隙岩体的力学特性、破坏特征的分析，应用多层结构模越理论来分析裂隙 者体的力学特征。该模型能反映实际工程中岩体的成组节理特瞧，考虑节理产状和强度辩 岩体变形特性的影响，可用来横毅岩体中多组节理同对荐在滑动、张开、闭合的行荛，势 能反应由于应力主轴旋转所产生的塑性变形的影响。 b 洋纲雄导、验诞多层结构摸型癸羹性理论懿毒关公式。 c 介绍了反映多层结构模型特点的、独特的非线性计算方法，并成功地研制出相应的有 鞭元程缪。 d 阐述了任意岩体锚杆的计算模型，该模型在形成计算网格时可不必考虑锚杆的方位， 只需赋予锚秆静起点与终点的黛标信息，帮可自动形成锚秆在缀合荤元中的信懑。通过黧 侧分析，该模型计算效率较高，并可方便地模拟锚扦的加固效果。 e 在编制离敝式秆单元的基础上，编制了生成任意者体锚秆单元信息的前处理程序， 从瑟克服了卷娩抟有鼹元算法申必须将镪妊布嚣于单元结点豹常袈擞法。 f 将所编制的裂隙糟体变形与应力分析和锚固数值计算程序运用于混凝土坝基、岩石 逮壤竣及碾压遴漾瑗等工程孛，褥氆垫合臻嚣具套定特怨戆结果。 关键词。岩体、多层结构模型、非线性有限元、弹粘塑性、加锚岩体、高边坡及地下结构 羔程、变形与稳定势撂 a b s t r a c t t h er o c km a s s e ss t a b i l i t yo fh y d r a u l i cs t r u c t u r ea n dg e o t e c h n i c a lp r o j e c ti st h o r o u g h l y s t u d i e di nt h et h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o ni nt h i sp a p e r , s o m ec o m p l i c a t e dp r o b l e m si np r a c t i c ea r e s o l v e d ，t h ep h y s i c a lr e l a t i o n s h i po f t h ef r a c t u r e dm a s s e sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i n gm e t h o d so f r e i n f o r c e dr o c km a s s e sa r e e x p l o r e d i nt h e o r y t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： a t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i c sa n dd e s t r u c t i o nf e a t u r eo ft h ef r a c t u r e dr o c k m a s s e s ，t h em e c h a n i c sf e a t u r eo ff r a c t u r e d r o c km a s s e si s a n a l y z e d w i t hm u l t i - l a m i n a t e f r a m e w o r km o d e l t h em o d e lc a nr e f l e c tt h em u l t i s e t sf e a t u r eo ft h er o c km a s s e si np r a c t i c e , c o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ej o i n to r i e n t a t i o na n ds t r e n g t h t ot h er o c km a s s e sd e f o r m a t i o n f e a t u r e ，a n ds i m u l a t et h es i m u l t a n e o u ss l i d i n g ，t e n s i o na n dc l o s eb e h a v i o r so ft h em u l t i s e t s i o i n t e dr o c km a s s e se x t e n d i n gt h ej o i n ts u r f a c e ，a n dr e f l e c tt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n f i a d u c e dt h e r o t a t i o no ft h ep r i n c i p l es t r e s sa x e s t h er e s u l tc a nb ee x t e n d e dt of r a c t u r e dr o c km a s s e sw i t h a r b i t r a r ys e tj o i n t s b ，t h ec o r r e s p o n d i n gf o r m u l a si nt h ee l a s t o - p t a s t i c i t yt h e o r yo f m u l t i l a m i n a t ef r a m e w o r k m o d e la r ed e d u c e da n dt e s t i f i e d c t h en o n l i n e a ra l g o r i t h mf o rm u l t i - l a m i n a t ef r a m e w o r km o d e li ss u g g e s t e d ，a n dt h e c o r r e s p o n d i n g f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) p r o c e d u r e i sd e v e l o p e d d a n a p p r o a c h i sb r o u g h tf o r w a r dt oc o n s i d e ra r b i t r a r yo r i e n t a t i o nr o c kb o l t ，i nt h i sm o d e l w h i l ef o r m i n gt h ec a l c u l a t i o nm e s h , t h eo r i e n t a t i o no f t h ea n c h o rn e e d n t c o n s i d e r , o n l yt h e c o o r d i n a t e f o r m a t i o n o f s t a r t i n g p o i n t a n d d e s t i n a t i o no f t h er o c kb o l t i sn e e d e d ，t h e f o r m a t i o n o f r o c kb o l ti nc o m b i n a t i o ne l e m e n tc a nb ef o r m e da u t o m a t i c a l l y t h r o u g ht h ee x a m p l e ，t h em o d e l h a sh i g hc o m p u t a t i o ne f f i c i e n c y , a n dc a l ls i m u l a t et h ee f f e c to f r e i n f o r c e dr o c k m a s s e sf i n e l y e o nt h eb a s i so f d r a w i n gu pt h ed i s c r e t er o de l e m e n t ，t h ep r e p r o c e s s o rp r o c e d u r ef o r m i n g t h ee l e m e n tf o r m a t i o no f a r b i t r a r yo r i e n t a t i o nr o c kb o l ti sw o r k e d o u t t h er e a s o n a b l ea n dc h a r a c t e r i s t i cr e s u l ti sc o m ei n t oo f t h ec o r l c r e t ed a r nf o u n d a t i o n ，t h e r o c ks l o p ea n dr o l l e r - c o m p a c t e dc o n c r e t ed a m w i t ht h ep r o c e d u r eo fd e f o r m a t i o na n ds t r e s s a n a l y s i s o f f r a c t u r e dr o c kn l a s s e sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f r e i n f o r c e dr o c km a s s e s ， ， k e y w o r d s ：f r a c t u r e dr o c km a s s ，m u l t i l a m i n a t e f r a m e w o r k m o d e l ，n o n l i n e a rf e m , e l a s t o v i s c o p l a s t i c i t y , r e i n f o r c e d r o c k n l f l s s ，s l o p e a n d u n d e r g r o u n d s t r u c t u r e p r o j e c t ， d e f o r m a t i o na n ds t a b i l i v ya n a l y s e s - l 河海大学蠖士学位论文一岩体力学行为多屡结构模型研究 第一章绪论 1 。l 装体豹力学特牲及闲题提出 措体与一般介质的重大差别在于它是由结构面纵横切割而具有一定结构的多裂隙 体，密体中的结构丽对岩体的变形和破坏起麓控制作用，正是由于裂隙的存在，使得岩 蕊存在着强蒙豹# 均囊、各自瓣经、多强瞧、霹渗往敷多稳缝。裂羧不纹大丈蟪改交了 岩体的力学性质，黼且更显著地影响岩体的渗透特性。从岩体的力学特性来看，裂隙面 显然是岩体中强度的薄弱面，不仅如此它还鼹著地控制着岩体的整体力学行为( 变形横量 及强度参数降低、岩体呈各商努性) ，从丽导致裂隙岩终强烈的各向异性以及变形的不连 续瞧，裂睬岩钵无论是在力学褥往还是在渗透特程上帮与连续分陵遥弊，这绘宕主工程 的力学分析和渗控设计都带来了相当大的困难。 从工程角度赣，工程岩体大多为节理岩体，具有不避续非均质性。岩体的不连续性 表臻为砉石矿魏缀残孛戆皴裂熬戳及宏蕊土黪冬秘类型弱节理窝叛晨。嚣均矮性爱浚莲 亮熬辫块中即是矿物成分在数髓、尺寸、个体性质以及几何分布上的随机变化。在工程 岩体研究范围内，自然会涉及到完整岩块( 前) 、节理岩石和节理。随着社会经济的发 展，愈来愈多的工程( 如承电、矿山、能源、核废料储存殿溶质运移) 郯建设在岩体之上 或者傣之中，困蕊深刻理解岩舔懿力学籍镶每工程 亍为对予工程静安全程起着拳跫轻重 的作阁。这在国内外是有着深刻教训的，如1 9 5 9 年设计精巧的m a l p a s s e t 拱坝在初次嚣水 即遭众坝溃决，b e l l i e r 和w i t t k e 分析后认为；破坏是由于j 嗷力环境改变后导致岩体的渗透 缝发生改交瑟诱发瓣，这揭示了裂骧岩髂应力器渗浚糕会黪建兹重要接；1 9 6 3 年意大裂 v a j i o n t 拱坝上游蠢岸大滑坡致使当时世界上最高的双曲拱坝失效，涌浪夺去了埙下游 2 6 0 0 多人的生命；1 9 7 0 年秘镶山区因地震耐触发的一起山崩，造成1 ，8 万人死亡的惨 剧；我国的板桥、石漫滩和沟赋等大坝的失搴都造成了严整灾害；随鬻人口的急速增长 移主怒资源懿过度开发，透疆瓣藤邑交成弱滚震稻炙由秘弗歹l 静全球往三大遗蘑灾害( 澈) 之一，也就是人们广为知晓的滑坡、泥石流1 2 j ：大型深埋隧道面临的岩爆、涌水、突混阐 题很多等等。 2 0 氆纪8 0 年代寒，中国玻漆决定正式兴建长江三蛱工程，更丈量鹣装石力学与王程 问题摆在中国专家、学者们的藤前，如长达6 k m ，坡高最大运1 7 0 m 缒永久船闸高边跛者 体开挖，其整体稳定性与变形机制、岩体流变与地下水渗流等极为复杂多变的岩石力学 课题。水电是我国能源工业的爨点发展方向，“十五”嬲间，水电能源开发布局进步 岛露瓷器嚣j 戆大江、大溪及蕊难、装答转移，工程纛摸避一步燕大。缀麓渡谤孛豹燕 滩碾服混凝土重力坝和水布垭面板堆石坝高魔醴突破2 0 0 m ，锦屏、小湾与溪洛渡拱坝达 到3 0 0 m 级。高坝大库带来一系列的新课题，萁中复杂的辫石地基及岩石高边坡稳定是高 壤握缌建设中豹关键菝术薅蘧之一i j l 。 第一章绪论 2 l 世纪是地下洞室开发利用的世纪( 钱七虎，1 9 9 6 ) 。虽然，分析地下洞室围岩稳定性 的理论和方法与以前相比有了很大的发展与提高，但仍然落后于愈来愈多、愈来愈大、 愈来愈复杂的地下工程实践。因此，大型地下洞室的设计、施工和管理的理论、方法、 技术的研究。就成为当前工程界和学术界十分关注和亟待解决的重要课题。 进入2 1 世纪的中国以其稳定的健步发展而受世人瞩目，国家的重大基础设施规模宏 伟，它将围绕西部大开发、东部大发展的中心展开，已经开始实施的有1 4 】：西气东输、西 电东送、南水北调、纵横通道、海底隧道、青藏铁路，以及黄河治理、长江及太湖治理 工程等，珠江三角洲、长江三角洲、环渤海( 京津唐) 的建设也都摆开布局。所以，中国的 岩石力学工作者当前具有重大的机遇，也面临着严竣的挑战。如何正确地解决好这些问 题，将极大地推动着本学科与工程技术的进步和持续发展。 1 2 岩体力学分析研究现状及其进展 岩土这种天然地质材料从构造上呈现出高度的各向异性、非均质性和非连续性，在 力学性能上表现出强烈的非线性、非弹性和粘滞性，其总体的变形与强度特性不仅依赖 于当前的应力应变状态，而且与应力历史、加载速率、排水条件及固结或密实状态等因 素密切相关，正是这种具有复杂工程性质与力学行为的岩体或土体构成了深水海洋平 台、高层建筑、高耸电视塔、重要核电站、高速公路、机场跑道的地基基础，构成了高 土石填筑坝等结构的建筑材料，构成了深埋地下洞室、高挡水拱坝的赋存环境1 5 j 。 1 2 1 岩体力学分析研究现状 如何采用合理的方法描述节理岩体的力学特性一直是岩石力学中的热点。就节理岩 体的模拟分析方法看，可分为两大类型，即实际节理与完整岩块的直接模拟以及采用等 效连续介质模型的间接模拟川。 直接模拟方法以实际岩体的节理分布形态及力学特征为基础，直接进行应力与变形 分析。显然，这种方法可以比较真实地表现节理岩体的实际性态。常用的数值分析方法 有有限元法、边界元法、离散元法等。在有限元法中，采用节理单元或界面单元描述节 理的性质。边界元法中常用节理单元或位移不连续法，基于有限差分法的快速拉格朗r 分析i 去( f l a c ) 也可以用于节理岩体的应力分析；对于少量节理，可用界面单元，而对复 杂密集的节理岩体则采用遍历节理模拟。f l a c 采用了w i l k i n s 的显式差分方法，可以求 解大变形问题。上述方法都已被广泛她应用于岩土工程之中，但应该看到的是，这些方 法毕竟基于连续介质方法，仅适用于含少量节理的岩体，一旦节理多且分布复杂时，上 述方法就难以应用。离散元法则不然，它允许岩体中的块体分离、转动和滑移，允许大 位移，丽这些恰好是节理岩体的重要变形和破坏机制，因此，离散元法是模拟节理岩体 的理想工具。 对于高度节理化的岩体，d e i o u m a y 和p a r i s e a u l 6 等人提出了等效连续介质方法，即在 进行数值模拟之前，先将节理岩体按力学等效原理进行等效，建立力学上等效的模型， 河海大学硕士学位论文一岩体力学行为多层结构模型研究 然后再进行数值分析。这种方法从计算效率上看有一定优势，但不容易保持节理岩体的 显著特征，只有当节理分布规则，或研究域中非均质岩体的特征尺寸与相关的结构尺寸 ( 如有限元法计算时单元的最小尺寸) 相比较小时，也就是说可以找到特征单元时，这种方 法是有效的，这时可以用特征单元来模拟整个研究区域的力学特征。一旦特征单元的尺 寸与结构尺寸相当时，这种等效方法就会出现问题。一般的等效连续介质方法不允许有 转动自由度，这就与节理岩体的实际变形机制有出入。m u h l h a u s 7 1 对此作了改进，引入了 转动自由度，这就使一般的连续介质变成c o s s e r a t 连续介质。尽管如此，等效方法还是受 特征单元尺寸的限制。 6 0 年代后随着高速计算机与数值方法的迅速发展，岩土工程数值分析与计算岩土力 学成为当前十分活跃的研究领域。自6 0 年代末随着有限单元法的产生与发展相继建立了 许多不同层次的离散模型与数值方法，从1 9 6 8 年g o o d m a n 等人提出的接触单元到1 9 8 0 年d e c a i 等建立的薄层单元，从1 9 7 1 年c u n d a l l 发展的个别单元法到后来相继提出的各种 离散单元法，从1 9 7 7 年k a w a i 的刚体一弹簧模型到1 9 9 0 年钱令希所发展的刚性有限元法 及其后卓家寿的刚体位移一界面应力元法，从1 9 8 5 年石根华与g o o d m a n 的非连续变形分 析方法到目前正在发展的流行元法，历经了3 0 年，在计算技术等方面取得了引人注目的 进展，目前已进入了一个蓬勃发展的新阶段。栾茂田【5 】曾按照四个层次分别就适用于小变 形条件的界面单元模型一有限元方法、适用于几何小变形非弹性应力计算与塑性极限分 析的刚性有限元法、适用于散粒体或块体系统非连续大变形模拟的离散单元法和能够同 时适用于连续体与离散块体系统力学分析的流形元法与拉格朗日元法讲行了评述。值得 指出的是，在中国，有限元数值计算方法已不仅由线性发展到高度非线性和大变形问 题，由二维发展到三维；同时，还可以考虑粘性流变、渗流与应力场耦合、损伤、断裂 以及动力效应垆j 。 这些数值方法可大致分为连续变形分析方法和非连续变形分析方法两大类。上述各 种数值方法中，有限元等方法将岩体理想化为完全连续介质，离散单元法等又将岩体抽 象为完全非连续介质，这其实是走向了问题的两个极端，将连续变形与非连续变形统一 起来的方法更适合实际岩体变形分析，于是一种更新颖的数值方法一流形方法引起了广 大学者的兴趣。流形方法( n m m ) 由石根华于1 9 9 2 年提出，它是应用流形覆盖技术建立的 一种把有限元法、非连续变形分析和解析方法包含在内的全新的统一计算方法。国内， 王水林【9 】、王芝银【lo 】等学者对流形方法作了较为系统的研究。该方法的优点是具有相对完 善的非连续变形处理功能，可以在统一的数学理论框架下同时处理连续与非连续问题。 较之有限元法更适合于开裂模拟，但由于受网格与单元划分的限制，流形方法在开裂计 算上仍较为困难。 1 2 2 岩体力学分析研究进展 随着计算机技术、计算方法理论、数值分析理论及各种新的试验技术与现场测试技 术的发展，岩石力学数值分析将不再被局限在“输入一个数据、计算一个结果”的传统 的计算器模式之内。国际上岩石力学与岩石工程研究的最新趋势为j 2 】： 第一章鳞论 ( 1 ) 岩石工程对环蟪的影响越来越受到重毒嫩，这怒潮全球的环境保护意识楣联系的。 ( 2 1 岩石力学由研究单一的固体力举问题向多场耩台和多确运动研究发震。 卷石力学专家早就了解到水在岩体力学行为中的作用，僚是，随潜岩石力学问题的拓 展，煞、流、圈、纯多场并存时，箕楣互佧鬻与藕合视涮鸯待深入辑究和突破。同辩， 在岩体由小变形到大变形，并发展为岩体内外物质邋动时将包括圃、气、水、微粒的多 稆复合运魂，这季孛复条状态瓣绉述龟残为耨豹有待解决酶闯题。慕歪在钰含岩石霸较 的许多岩土系统中，辫土耦合的力学行为也慰尚待弄清楚的篾杂介质耦合问躐f 4 】。 ( 3 ) 薅袭磊力学特技及岩磊工程懿数篷方浚纛数据模整懿磷究一蠢跫长蹙不衰豹 】3 1 。 ( a ) 当前图内、外流行的通用大烈软件( 如a d i n a ，a n s y s ，a b a q u s ，m a r c ， n a s t r a n 等) 夫郝楚锌对念壤、混凝等人工兹糕开发戆，霹岩体孛豹节骥、襄羰筹不 连续丽、塑性软化、膨胀湿陷、孔压消散、损伤断裂等以及各种施工方法如分期开挖引 起媳痤力器敖转移、搂罐支妒、预盛力热露、赫承髫结、露填灌浆簿力学确应聱无黪为 力。因而，谯商用分析软件的基础上，进行实用性地二次开发是尽快缩短团内外科研差 题、提高国内计募技术的有效手段。 ( b ) 数值方法本身的发展，如有限元法的避一步向模拟离散化介质功能方面的发展；离 散元浚向模拟连续介质功能方面的发展；流彤元法、拉格朗日元法等的发展等等都为其 在岩石力学与工程中游地位的提高起剿了巨大的促进作用。 ( 4 ) 岩石或岩体特育的节理裂隙对篡力学性质的影响的研究越来越深入和细致。 蠢体的力学特悭的研究，郎裂陈岩体的本构关系，成为极为重甏豹谋越。细蕊研究 裂隙构造对强度的影响，裂隙网络与岩体构造的多种模型，如c o s s e r a t 模型，岩石断裂韧 度及流变的研究，褐逡装豫扩展静磷究都受瑟7 重褫。 f 5 ) 原位测试及勘探。水滕致裂及r v 三维裂纹勘探受到了重视，运用声发射致裂研究 裂缝扩震及强度懿酸筇。 f 6 ) 越来越重视岩石力学的研究成果在实际工程中的应用。 f 7 ) 离释投在岩石力学与蠢石工程孛戆应瘸开始崭爨关爨，翅媛g p s 对麓遘变形熬蕊 测等簿。 然) 蓉兴攀辩在岩石力学孛懿应震。麓淹、分叉理论、分形咫露、，j 、渡分辑、并行计 算算法、突变理论、耗散理论、大系统理论、模糊理论等新理论在工程中的应用。 1 3 岩体锚尚祝理与数值模拟研究现状及其进展 瓣土锚网楚近 弋誉土工耩领域斡一个重鼗分支，它是一释把锚嚣稃俘壤入逮层静技 术，它能充分发挥岩土能量，利用和提高岩士的自身强度和自稳能力，可以有效控制岩 藩毅工程终构耱敕变形，确保藏工安全与工程稳定，其畜鼗著经济效益纛季圭会效懿， 因而魁界各国都大力开发和应用这门技术。自1 8 7 2 年英国北威尔士麟天页岩矿首次应用 锚移麴鏊逢缓及1 9 1 2 年德嚣瀣薤兹犷鬟先奁势下巷邀采震镶露蓑术竣来，镶疆技零繁今 已有1 0 0 多年的发展历史【l4 1 。随着我国水利、电力和城市建设的发展，我国岩土锚固的 河海大学硕士学位论文一岩体力学行为多层结构模型研究 应用在八十年代进入旺盛时期，伴随着我国高强钢绞线生产和灌浆技术的进展，长度大 于1 5 m 的高和较高预应力的锚杆，在我国边坡稳定、地下洞室加固、深基坑支护、坝基 加固和抗浮结构等工程中广泛应用( 见表卜1 ) ，标志着我国岩土预应力锚固的设计、材 料、施工水平进入了新的阶段。 在边坡工程和地下洞室工程的岩体中或多或少都存在着节理、裂隙，它们在不同程 度上影响着工程岩体的稳定性，人们往往采取加固措施来保证工程的安全。自2 0 世纪 初，锚固技术就己在各类工程中应用，6 0 年代新奥法出现后，促使锚固技术迅速发展， 随着岩石力学的建立和发展，岩体锚固技术已得到广泛应用，尤其是8 0 年代以来，有限 元法等的采用，更提高了人们对岩体锚固的认识，迫切要求在锚固特性和机制、数值模 拟方面深入研究”。 表1 - 1 岩土锚固工程实例 工程名称工程用途锚杆类型锚杆承载力锚杆钢绞线最大钻孔直 ( 1 c n )( 报直径)径( r a m ) 三峡水利枢纽边坡稳定拉力型3 0 0 01 9 1 52 m m 1 6 5 1 7 6 李家峡水电站边坡稳定拉力型3 0 0 0 李家峡水电站重力坝加固拉力型1 0 0 0 05 5 1 5 2m m2 5 6 小浪底水利枢纽边坡稳定拉力型3 0 0 01 9 ，1 5 2m m2 2 0 二滩水电站地下厂房拉力型1 7 5 0 6 0 0 03 3 1 5 2n l l n2 4 0 石泉水电站重力坝加固拉力型 8 0 0 04 3 1 5 2m m3 0 0 丰满水电站重力坝加固拉力型6 0 0 0 中国银行总行办公 深基坑支挡 拉力型 8 0 0 6 ，1 5 2 m m 1 3 3 楼压力分散型 8 1 2 7 r a m 北京京城大厦深基坑支挡 拉力型1 3 0 09 1 5 2m m1 5 0 首都机场扩建工程结构抗浮 压力分散型2 2 0 01 4 1 5 2m m2 0 0 梅山水库重力坝加固拉力型3 2 0 01 6 5 ，中5 ( 钢丝) 小浪底水利枢纽地下厂房拉力型1 5 0 01 5 0 1 3 1 岩体的锚固机理 锚杆对围岩起着加固作用，这是大家的一致看法。但对锚杆加固围岩机理的认识却 不完全一致，各家说法不尽相同。锚固的主要作用就是充分利用锚杆周围地层自身抗剪 强度，通过锚杆传递结构物的拉力，从而保持结构物或地层开挖面的自身稳定。岩士锚 固作用机理的普遍认识可概括为h ： ( 1 ) 悬吊理论把由于开挖、爆破等造成的松动岩块稳固( 悬吊) 在稳定岩层上。防止破 碎岩块冒落。在坚硬的节理发育的岩块处，锚杆通常起这种作用； 露一嚣蕤莞 2 ) 支撑理论( 成拱理论) 锚括能殴翻、约束匿岩体变形，荠离潮岩士传施搬聪力， 麸褥镘楚予二缀瘫力竣态静戆法舞裘瑟警主体鬣持三缀癍力旋态，凌嚣影瀵室审澎残承 载环，在拱黟测瓷中形残承载拱，因矮就剁止围岩体强度数恋化； f 3 ) 组合粱理论对于水平域缓倾斜的联状围岩，用锚秆群能把数滕岩层逶在怒增 大鼷闻摩阻力，扶络褥力学瑷患来看，瓤楚澎成缀会鬃； 秘) 增强褒论对予蘩瑾密寨破碎卷俸，躐是较魏软弱鹩主髂，箍熬镭秆，冒嫠破箨岩 体熬肖完整性，在软弱土体中增加筋骨。湖而增强了锚嗣区围岩体的强度( 如弹饿模量 嚣、牯结力f 等) ； ( 5 ) 镇钉毽谂镬释雾遥潜秘瑟爵，搿袭蕊窭戆疆溪藏赘露耀。 上述尼条爱涣了在特定荣佟移麓澄方式下镭抒鼢麓溪俸爝，毽襁瘟静力学撰裂还翌 粮撼，与实际情况出入较大，只是由于计算方法简单，物理概念明确，在目前岩土锚固 工骥串爨技广+ 泛鏖惩。德赘港锤溪王稔中盘支撑攘念怒掇酱摄念的转变，诲多研究太 费遴过室内搂黧试验、数毽傍冀模熬、瑷沥试验等警敬辩镄强佟耀梳疆迸行了深入缁致 瓣磷爨。下懿赍韬一鍪援：较鸯终衰瞧瓣残鬃。 f 1 ) 中国矿业大学提出巷邋锚固尉岩强魔强化理论 1 9 l ，蕊要点是：锚括加固围潜的 实震楚馥交了黎道灏砉豹受力蔽凝，缮熬了强垂，觚耀鼹囊了砉委蕊力学参数麴驴、 e 、c ) ，改簧被锚圃岩体纳力学性能；熊邋围岩存在潜破碎区( 松动区) 、弹性区、耀性 邋，锾爨镌阉联域内豹老髂嬲蜂毽强度或蟓熙强疫、残寐强震都能缮剿强纯；貔坡努 地控割匿岩破碎隧、澄性区的发展，从两受露裁于保持楼道弱岩鲍稳愆。 嵇潆炭辩擎疆究罄酸忿索嚣采爨霹煤赣镬蓊趱蠢锌矮辍淫戆磅究袭硬# 4 】：键繇热霾 对予提高围澍宙舟的最大承载能力没有明鼹静效果，值谯围岩产生塑性破坏后，对提高 慰辫的残余强凄及承载能力谢恩著纷用。在港道周围，锚杆与其锚圃范围内的岩石构成 一耱罐霞支移体，姿遮令链霾薅孛戆岩石褒溪老集串疲力露鼹下茇生菝舔簿，英承载戆 力降低并产曩妾变形，同时围案的集中应力向深部转移，傻锚固体卸载。在武过程中，锚 圊髂髓过锈秆酶约束作用和抗赘作掰，毽塑髓破坏殿荔予松动静岩石绱戚暴育一定承载 能力鞠适应自囊变形卸载的锚邂乎簿拱。 f 3 ) 清霉丈攀畦爱汉遁避对裂臻装嚣镄黉模型黎丈瑷砉锈霆静三辍遮验磷囊，缮凄 f i 6 j ：枉同样的老性、同样的锚杆数景和质爨下，以锚固角霹为3 0 。时锚固效果最好。同 时，镄符蠹霹鼹霹使者镩在不溺受力状态下提麓箕承载力。镄隘岩薅程三淘庭力获态下戆 将馁表瑗免；强发撬裹，变黟爨减少，黉穗貘量增丈，窿力应变戆绫壶鼹经转麓潜錾 缓。获袭骧蒜锩懿蘩落将蕊礤定表饕，卷搭箍器效痉懿橇簇是，锚抒懿奈7 老锩麓变 形，提高了其抗鹦强度，且使岩体的破坏从脆性状悫转变为弹塑性状态或粘弹性状态， 双露瞧蹇了嚣髂熬稳定馊。程实际j 程孛，锚耪嘉趣藏器可麓与岩俸中主捷应力方趣一 鼗。 1 盘鞠罐者体盼谁黪模型释计簿方法 河海丈学磺士学经论文一岩体力学孝亍为多层结构模型研究 锚秆支护计算比较完善的方法是建立在弹性、弹塑性绒粘弹性力学箍础上的，演类 方法把围岩视为受外围均匀压力的带圆柱孔的凭限体，单的锚杼用一对集中力r 对予端 罐镶抒) 凌一连事集巾力( 对于全长罐嚣镶耪) ：j | 乏代替，运热逐饩霆傣力攀审魏理畜瓣昝攘 以叠加，得到锚杆加固圈内的威力场和位移场，从而判断阐岩的稳定性。例如，单一盼 预应力锚杆垂直作用于半无限火宅间时，就可以由b o u s s i n e s q 解答和m i n d l i n s 解替蕊 加，褥到其榴应的饿移鞠应力场。从理论土说，这种近代阐体力学的锚嗣计算方法较为 合理，然而，由予缝豢条件麓复杂往使求艇菇在数学上静溺难，嚣蘩瓣趣范器还缀鸯漾 【1 9 l 。 j 眨年内随着计辣机技术的高速发展和有限元方法在各工程领域的广泛和深入应用研 究，嗣肉努秘学者黢专家发震了窍疆元方法褒镪固工程孛款建爱，矮姆擎元、粱单元摸 叛锚耔，经工程实骏验证具有较好的仿真能力，值得进一步研究推广。炎舞，在岩磊力 学应用方面，为了邋应不连续介质的力学模拟，界面元方法及有限差分法对锚杆的模拟 也锝到了一定的研究和应用。在绉构一基础的糖互作用间蹶研究中，结构和岩土基础的 各穆力学滴蘧豹磅究已开震褥磊戆深入帮竞繁， 蕈秀连接貔鹣链程、锈繁等梅释夔礤突 和分析在理论、试黢和数值模拟备方面也都在不断发展进步。下面介绍一些有代表性的 成果。 ( 1 ) 举期豹工佟爨姆锚轾楚豫为梁单元或轷攀元，这秘处遘方法不能冀实建反殃镶释 的彳亍为，特别是灌浆的作用。为了解决这个游越，一些磺究人员在锥蕊秘灌浆之闻萼l 久 了接触单元，这无疑增加了求解问题的复杂憔。锚杆问题的进一步研究是建立包含钢芯 和灌浆剐度的锚枰罄元。此后，a y d a n 又提出了一种修正的锚杆元f 2 0 1 ，该单元有四个结 点，冀串嚣令缝熹麓镪葱程连，冀秀令绥点与灌浆稷连，麓寒考虑镪蕊与灌装之褥瓣骜 切滑动作用。雷晓燕在a y d a n 工作的基础上，提出了一种考虑锚芯与灌浆间剪切破坏侔 用的三维锚杆单元“。 f 2 ) 在加缮节理辫体豹力学分辑模型方西，嚣内夕 研究十分活跃，比翔：锚固 孛与节 理稻瞅磐的相互作爝、貊锚节毽岩体静等效逶续夯震穰黧、热罐节毽密体垂毒离敖模篷 等。但是，反映锚圆件在节理面上的局部行为，建立加锚糟体的既合理又简便的流变模 型及本构关系，仍怒尚未很好解决的难题。陈胜宏研究了湖结式被动锚杵的等效模拟问 蘸，援密了一耱豢弱麓镶节毽爱髂滚交模型嘲，该滚交接熬考虑了罐耱农节理瑟上戆懋 部行为。 f 3 ) 由于有限单元法是位移协调模型，故锚件单元需布溅于块体单元的棱边上，杆单 元兹缭淼与块搏单元黔结点摆一致，热固镲绺媲长度、损愈、矮角受单元题格翦制约， 往往难塔完垒仿襄器释锤辞复杂瓣凡褥布局，遗常是采焉概纯处理的方法疆等效集串鹣 形式计入锚件的作用，从而使得计算模型与察际的加锚状态存在着一定的差异。面i 躏上 述背景，章青、卓家寿【2 3 】在k a w a i 工作的基础上，基于创娆的不连续介质变形体的界顾 痤力元法，建立了翔锈者嚣瑟懿数篷分辑模登。该模垄将热霆疆锌视篾穷避蚩块摹元赛 面的冗件，参与澍石协同工作。由于所建立的分析模型是位移非协调模擞，故加固锸伟 繁一章鳍凳 鹣靛瀵、长整、数量秘绶建、籁商譬霹戥蹩任意静，苓受离教块搭攀菇霹格瓣缀瓣。能 够佬粪各穗镶终懿菱絷豆褥蠢羯，菱螽全溪蘧缮示了燕嚣匆嚣镶效应稻糖镶老薅豹忑撵毪 签。 ( 4 ) 虽然界倘虚力既是一种位移不协调模戮，能够模拟裂隙岩体的不连续嶷形，假由 予它爨萋予痤力连续魏条释攘导赛来她，瓣予岩俸秀裂慝不佼位移不游谓露越瘦力瞧不 秘澜静祷况，忿法显熬会存凌缀丈误蓑，褥戴，雾蔼应力元貘垂难馘楱攒不连续繇犬的 锩动帮张裂等变形形式，只熊在与连续块体变形的同髓缀上反映不遂续结构颜的变形。 曹文赞弹l 在石嘏牮提蹬的数德流形方法的蕊础上，建立了豢俸锚阉的数值流形方法镤 墼。该攘墅涛患 搴鸯羹辫键 牟携为连接瓷髂块髂蕈元熬浚澎攀嚣，参与岩俸夔强爨变嚣终 掰。 王i 于所建立酌分轿模型愚不协调往移横黧，而墓，该方法考虑映俸接戆畿够蕊躞块 体之间的应力不协调，因此。不但加固锚件的几何参数可以楚任意的，不受计算网格的 戳裁，能够傍粪器秘镶俸匏蹩聚置秘奄嚣形式，瑟显，裁镑较真实蟪茨获不连续瓣髂熬 变形橇壤，受为全嚣遮反浚镁释的热弱；受斑。 1 3 3 潜土锚蕊襻程的闻题及骈究方向 镶耪、镬索加强支护已雀燕内井矿出、土建、铁鼹、承铡、水电等部门褥劐广泛的 爱鼹，其可翥舔移经济往已蔽大量静工程蜜黢掰涯宴。遥死聋采，替类锚稃瓣稼翳辍理 翻越涛楚，也已得到较一致的认识，已提出一些实用的锚卡于数学模型，它们在短程度 上袋姨了各类锚杆适藏不同蛾旗条律静热阐梳理。应警涟意粥，尽警理论工作已敬樽一 囊戏慕，餐镶拇热弱凝理爨怒一个没蠢绫一试谖豹翅爨，迄靛乏牙之毒效瓣、会瑷豹诗 冀方法。现有蒜嵇模黧仍存撬不少显褥荔怒静不是，璞论帮簸蘧努爨与实际谤穗漱入较 大，特别是对于由软弱结构筒控制稳定的错体加固侍况。由于岩土工程面i 胳的地质祭件 复杂多变( 鲡老主体鹣嚣筠壤愁穗菲连续经嚣) ，工程条髂麴可变往释不礁定毪，臻璐溅塞 鼹液夫，在溢下凡方鬻仍蓑努力开震壤谂獗究l 竭：( 1 ) 磷究锈耱工佟税理，疆窝鹣下工程 系绫罐秆支护懿密藤诗雾释壤论分羲方法；疆) 在大交黼壤遴孛，肇擦蓑锤抒、挝藤舔释 与豳瓣的相互作用，锚杆与熊他支护结构的凝同作用，预应力锚杆引起的岩土应力熬分 毒；稿 楚力型、压力麓器藓力囊镁露髂蠹藏秀蕊逶鬟撩，键挺承载力鲶露窒效应；氍速 膜拜拣、地震、冲击荷载、冰冻、波浪、麓灞条件下锚秆的能能研究；( 5 ) 锚秆在穴裂水 工缡掇王程积麓王载孛抟盛耀霹究咎日舞泼缓稳定支护、懋下灏塞野挖囊护等等) 。 1 。4 本文懿燕簧翳究海器 本文钟对水正结构工程和错土工稷中的嚣体稳定性问题，对裂隙辫体的本构必燕及 键籽擞滚鼗徨模攒方法逑幸亍了邂论往戆探讨。塞要完藏了；下趸方蘑鹣羔佟： a 遵过对裂熬岩侮靛酸嚣特征、老擎特馁瀚分辑，藏籍弹萋藿往增爨理论辩凝漱鬻傣避 学嚣线健分辑，撩爨蓦嚣线燕磐鳖驻蓬谶瓣惹疆夔，覆庭巍考虑袈俸交形翡簿蘩效应 特，镬。 第二荦嚣谗熬力学褥性爱其奉粕搂型 第二章岩体的力学特性及其本构模型 2 。1 攒述 不连续卷体的应力一应变特性主鹱取决于岩体中的不连续筒如节理、裂隙及断层等结 梅西鼢几何形态和力举特性。由于天然节理、裂骧豁爱杂经，正确译纷节理裂滚岩俸鼢特 性是十分困难的。近三十多年来，经过人们的不懈努力，一般问题已肖解决办法。例如对 予软弱岩体藏较霉的断层带，可耨分震褫为各淘嗣蕊鼢连续豁，髑嚣澄整瑾论照理；对予 软弱夹层或较薄的断层、规模较大的节理可用节理单元模拟；对于层状岩体可视为横观各 离茂性奔覆邋 亍分析。装餍瑟获稼餐攘登试验研突。想慰予较大量淹祝熬酝续苇理裂黢切 割的岩体至今研究甚少，正处于方兴洙艾。 裂藩砉髂零摇关系投英蟹袈，磅究魄较爨罐。近卡多年塞，娶终一些学毒致力予苇理 裂隙岩体的研究，取得了一些有效的进展和成果 2 6 , 27 】。如m t i l l e r 、p a c h e r 、b r o w n 等用人 工材糕翻 筝鹣节理岩石壤鍪邀行了双辘翻三毒巍试验；j a e g e r 等人剿使臻未经拨动豹闼舍节 理安山岩进行了研究；g o o d m a n 、b a r t o n 等人对天然和人工节理的岩体作了广泛研究。这 些磺炎阑明了节理岩体翦力学特性，特别是它们的强烧。然丽这些研究对于建立本构关系， 定量评价节璐岩体的力学特憾仍很不充分。 国内鹱繁岩石力学测试帮计算技术的发展，人们注视着裂隙岩体的本构关系和力学特 性的研究。醋究的方法主要建把岩体抽象成简单模型，在室内作模拟试验，并辅鞋数值分 析，罨求其参数和规律性：另一方面在现场和室内进彳亍必要的力学特性试验和各种测量。 这些石开究仅仅是初步尝试，躐建嗣部范囿酶探讨：丽针对工稳岩俸进行系统懿研究，骚海 外似不多见。 2 2 岩体的力学特性与计算模型 辔体是被断层节理层面等诸多不连续结构面切割的高度不均匀的各向异髋的介质。在 裂豫喾倭中袋其表毯建造工弦慰，迫切嚣要清楚地了孵它们的力学性能。为此通常震疆避 行原位试验，以便对岩体的力学性态戏其应采用的有关计算参数加以确定，嗣时进行必要 豹分辑诗算。由于裂骤岩体的力学特性非常笈杂，应该说，麓关不连续岩体的计算理论和 方法述不是锻成熟不得不作较多的假设。下面分剐介绍完整岩块和带理裂陈的交形与力 学特性以及量程岩体的建模凇则。 2 。2 1 岩块的力学特性 鞠2 一l 袋示一般岩石在鬻通室潺稻大气磁条件下避行的荦轴拉俾一压缩试验得捌豹典 型曲线m - 2 8 1 ，监线大致分为瑕个区域。 1 压密阶段( o a ) 1 0 - d g 海大学硕士学位论文一岩体力学行为多屡结构捷型研究 试件加噩，裂隙闭合，曲线微里非线性下凹( 等导 0 ) ，局部微裂。这是由于岩石中 d s 。 原套愆礼隙弱裂缝羧逐步燕紧鞠舍嚣产生的现象，对于致寮鲍岩五这个送域裁设舂或缀 小，a 点命名为裙嫡惩密。 2 弹性阶段( a 鳓 盯一s 曲线呈直线增长，在i 、i i 区域内，如果卸除荷簸，变形完全恢复，b 点对应 魏应力馕稼为弹蕊掇瓣或瑶骚应力，椽恚著弹拣交形凌寨，稳定爱藏簧播嚣戆。 3 非线性阶段( b c ) 2 一 口s 曲线呈非戏性上凸( 兰娄 0 ，称为稳定阶 段；在变形的第溅域，随着变形增大应力降低，即d o ，如0 ，称为非稳定阶段。由于 出现塑性变形，使卸绶曲线的斜率奢所降低，即发生弹塑性祸合，这种现象在非稳定阶段 更为鑫落。 5 立伸阶段( o e ) 拉皮力作用下的盯占曲线近似于一条直线，当拉应力达到岩石抗拉强度时，岩体被挝 裂蠢酸坯，强度洚低为零，交形蠢缀大静增长。 oc et 0淼 v 0su 搿t 圈2 - i 岩霸应力一应变念过程典型曲线 摹二露密蒋秘力学蒋往及；奉撵饕型 2 2 。2 苇瑾怒g g , 熬力学特经 2 2 2 。1 节理裂隙的变形特性 袈辕载变鼯主要为洼疯爱影衣馁愈交形缓爱嚣鬻之鬻兹糕台，g 矗璎a 毒2 趣簸翠蘩趱应 力应变曲线研究裂隙的变形行为，日f 入法向刚度k 。和剪切刚度足，涞描述法向应力。和 法淘往蓼之蓠静关系竣及蘩弱庭力r 帮劈谣整移文之蕊黔关系，著采鲻繁理荤嚣来搂 拟。 1 ) 法囱变形蒋髓 根据b a n d i s 的试验结果【3 0 l ，裂隙的典烈法向变形曲线如图2 - 2 ( a ) 所示，法向应力和法 南使骖之强存杰很麓登熬褰绫蛙关系。覆多攀誊对逡麓 线涟嚣为避行了礤突，其中萼；瑁 较广的为b a n d i s 裂隙模型( b a n d i s ，1 9 8 3 ) ： 蠡鬈= _ ( 2 - t ) + o - 。? 式中，为据始法两翼度，砭为秘盆掇城默宽，鄹竣太翅含量，g o o d m a n 认为裂隙的最 大闭含量鹿小于它的粗糙体的厚艘口，( 也称为裂隙最大隙宽) ，为裂隙筒的法向应力， 其中k 拳圪与霹戆应力拔态骞关。 由式( 2 1 ) n 得裂隙的法向刚度岸。为： r一： 3 参吨 卜茂蠢i p z ， ( 2 剪讶交搿穑憔 典型的裂隙剪切炎形与鼬切应力之间的燕系如图2 - 2 ( b ) 所示。麓切变形曲线可分为峰 值虢、峰蘧、蜂鏊纛三卞除滚，并袭瑶岛鼹显静 # 线性嚣巍，蜂蓬蓐酶应交敦诧嚣为 誊 复杂。剪切应力f 和剪切变职“之间的关系般可用双曲线涞拟合，k u l h a w a y ( 1 9 7 5 ) 给出以 下经验登式2 霉： f ：旦一( 2 。3 ) 式中，r 为斡切应力。r 为切向位移，m ，抖为与盯。有关的常数。 b m i o n 黧c h o u b e y 考惑缝褥瑟只寸效庭，建窭了翦蜜裂震黪经验公式m 3 。j ； 弘1 三0 0 c r 。叫侧飞譬m ，! c ：固 式中，盯。为法向j 激力，钆为剩余摩擦角，j g c 为节理糙糙魔系数( j 0 i n tr o u g h n e s s c o e f f i c i e n t ) ，j c s 瓷葛莲蟊熬获莲强度国滁c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ) ，王受裂泼长瘦，反袭 了尺寸效应对k 。的澎响。裂隙的剪切刚度蔗，随法釉应力盯。的增大丽增加。裂隙的翦切变 形斌窘癸馥蠢劈蔟戴剪藩魂象，踅辫2 2 翁联暴； 岩石节理裂隙的变形慷状受其腿缩时和翦切时的单位刚度及其强度控制。节理法内刚 河海大学硕士学位论文一岩体力学行为多屡结构模型研究 度k 。取决于：两节理面之间固体与固体接触面积，缝隙间的形状，充填材料的特征；而切 向刚度墨取决于：粗糙度，缝隙间的形状，充填材料的特性。此外，节理裂隙的刚度还受 湿度的影响，湿度通过对充填材料特性的影响而影响足。、t 的变化。 般认为k 。与足，的比值在5 1 0 范围内。实际上除实测外。k 。与k ，是很难确定的， 上述经验法则可供实践中进一步探讨。 j ，r ( b )( c ) 图2 - 2 节理的应力一相对位移关系曲线 2 2 2 2 节理裂隙的抗剪强度特性 节理岩体的破坏以沿