（岩土工程专业论文）地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 2 1 世纪是一个充满希望的世纪，也将是人类开发和利用地下空间的世纪。随着我国 基础设施投入的加大，特别是西部大开发与南水北调工程的实施，地下工程中岩体稳定 性问题的研究已经越来越受到重视，地下岩体稳定性问题往往又与环境保护、资源利用 和可持续发展等问题相关，因此其研究具有重要的工程意义及社会意义。 块体理论是一种适合于裂隙岩体稳定性分析的工程方法。经过二十多年的发展，其 理论研究曰趋完善，工程应用日益广泛。本文正是基于块体理论的基本原理研究地下硐 室岩体稳定性。鉴于理论仅考虑了结构面和开挖面的产状而未考虑其具体位置，不易确 定块体体积及稳定性指标，并且在多裂隙工程地质条件下计算效率低等情况，采用块体 理论中可实现程序化的矢量分析法，将其与地下硐室三维局部坐标体系结合，应用v i s u a l b a s i c 开发环境编制岩体稳定性分析程序。该程序通过输入结构面产状，测点坐标等工 程数据，依次分析各关键块体，得到其顶点坐标、体积、稳定系数等相关信息，实现在 多裂隙条件下地下硐室围岩稳定性分析。通过a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术，程序实现与 a u t o c a d 连接，依靠a u t o c a d 强大的绘图能力，建立地下硐室实体模型，三维展示关 键块体在空间中的位置和几何形态。 荒沟水电站地下硐室群开挖区围岩裂隙较发育，因此确定硐室群开挖面上可能产生 的块体及其稳定性对工程施工意义重大。综合考虑荒沟水电站地下硐室群地质条件及其 裂隙较多的特点，本文将该程序应用于荒沟水电站地下硐室群围岩稳定性分析中，得到 可能失稳块体的几何参数与空间位置。再将计算结果进行深入分析，确定出关键区域与 关键裂隙，从而为工程开挖施工提供指导。 关键词：地下硐室群；块体理论；关键块体；稳定性分析 地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用 t h ep r o g r a me x p l o i t a t i o no fb l o c ks t a b i l i t yf o ru n d e r g r o u n dc a v e r n sa n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a b s t r a c t 1 1 1 e2 1s tc e n t u r y i sah o p e f u lc e n t u r y ；i ti sa l s oac e n t u r yo fd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n o fu n d e r g r o u n ds p a c e w i t ht h ei n c r e a s eo fi n v e s t m e n ti nt h ei n f r a s t r u c t u r ei nc h i n a e s p e c i a l l yc o n s t r u c t i o no fw e s t e r nd e v e l o p m e n ta n ds o u t hn o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t , p e o p l e p a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt os m b i l i t yp r o b l e mo fr o c ke n g i n e e r i n g ，a n dt h a tr o c km a s s s t a b i l i t yi s a l s or e l a t e dt op r o t e c t i o no fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，r e s o u r c e su t i l i z a t i o na n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ，s oi t ss t u d yi ss i g n i f i c a n tf o re n g i n e e r i n ga n ds o c i e t y b l o c kt h e o r yi sa l le f f e c t i v ee n g i n e e r i n ga n a l y s i sm e t h o df o rt h es t a b i l i t yo f 妇t u m d r o c km a s s w 油d e v e l o p m e n tf o rt w e n t yy e a r s i t ss t u d yi sm o r ea n dm o r ep e r f e c t ；i t s e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni sm o r ea n dm o r ew i d e o nt h eb a s i so ft h eb l o c kt h e o r y ，t h ep a p e r s t u d i e ss t a b i l i t yo f r o c km a s so nu n d e r g r o u n dc a v e r n s t h i n k i n ga b o u ts o m ep r o b l e m s ，s u c h a st h et h e o r yj u s tc o n s i d e r so r i e n t a t i o no fs t r u c t u r a ls u r f a c ew i t h o u tp o s i t i o no fs t r u c t u r a l s u r f a c e ；i t i sa l s od i f f i c u l tt om a k es u r eb l o c kv o l u m ea n ds t a b i l i t yi n d e x ，i na d d i t i o n ， e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fm a n yf r a c t u r el e a dt ol o wc o m p u t a t i o ne f f i c i e n c y ，v e c t o r a n a l y s i sm e t h o do f b l o c kt h e o r yi sa d o p t e dt or a p i d l ya n a l y z eb l o c kb yc o m p u t e r a c c o r d i n g t ot h ee l e m e n t so fv e c t o ra n a l y s i sm e t h o d ，c o m b i n i n gl o c a lt h r e e d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t eo f u n d e r g r o u n dc a v e r n s ，t h ep a p e ra p p l i e sv i s u a lb a s i ct oc o m p i l ec a l c u l a t i n gp r o g r a mv a t s t h ec a l c u l a t i n gp r o g r a mn e e d si n p u tj o i n t so c c u r r e n c e m e a s u r i n gp o i n tc o o r d i n a t e r a d i u so f u n d e r g r o u n dc a v e r n s ， v e r t i c a lw a l lh e i g h to fu n d e r g r o u n dc a v e r n sa n do t h e rr e l e v a n t e n g i n e e r i n gd a t u m ，s e a r c he x i s t e n tu n s t a b l er o c kb l o c k si nr a n g e so fu n d e r g r o u n dc a v e r n sa n d a n a l y z eb o u n d a r yc o n d i t i o n ，g e o m e t r i cp a r a m e t e r ，f a i l u r em o d ea n ds t a b i l i t 3 f a c t o ro fe a c h b l o c ki nt u r n a n do b t a i nk e yb l o c k s v e r t e xt h r e e - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e s ，v o l u m e ，s t a b i l i t y f a c t o ra n do t h e rr e l e v a n ti n f o r m a t i o na tl a s t t h ep r o g r a mu s e sa c t i v e xa u t o m a t i o n t e c h n o l o g yt oa c h i e v er e d e v e l o p m e n to fa u t o c a d ，a p p l i e sa u t o c a dt ob u i l de n t i t ym o d e l o fu n d e r g r o u n dc a v e r n ，a n ds h o w st h r e e - d i m e n s i o n a lg e o m e t r i c a lf o r ma n ds p a c ep o s i t i o no f t h ek e yb l o c k t h er o c km a s sf r a c t u r ei sv e r yd e v e l o p e df o ru n d e r g r o u n dc a v e r n si nh u a n g g o u h y d r o p o w e rs t a t i o n , s oi ti ss i g n a l i t yf o re n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nt op r e d e f i n ew h e t h e rt h e r e a r eu n s t a b l eb l o c k so ne x c a v a t i o np l a n e so fu n d e r g r o u n dc a v e r n s t h i n k i n ga b o u t a b o v e m e n t i o n e dc o n d i t i o n ，t h ep a p e ra p p l i e st h es o f t w a r et oa n a l y z es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n g r o c km a s s e so fu n d e r g r o u n dc a v e r n si nh u a n g g o uh y d r o p o w e rs t a t i o n , o b t a i nb l o c k s 大连理工大学硕士学位论文 g e o m e t r i cp a r a m e t e ra n ds p a c ep o s i t i o n t h e nt h ep a p e ra n a l y z e sc a l c u l a t i o nr e s u l ti nd e t a i l ， m a k ec e r t a i nk e y r e g i o na n dk e yf r a c t u r e ，t h ei n f o r m a t i o nw i l lp r o v i d eg u i d a n c ef o r e n g i n e e r i n ge x c a v a t i o n k e yw o r d s ：u n d e r g r o u n dc a v e r n s ：b l o c kt h e o r y ：k e yb l o c k ：s t a b i l i t ya n a l y s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：抽锢 日期：迎2 ：6 ：2 金 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：拉铟 导师签名：乏垩! ， 、 盟年月鲨目 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本文的研究背景及意义 在地下工程中，岩体受到断层、裂隙等结构面的切割，形成大小不一、形状各异的 块体。从大量的工程实践可以看出，在地下硐室开挖过程中，岩体的破坏多表现为这些 块体的失稳破坏。所以在地下硐室研究及施工中，块体稳定性是研究围岩整体稳定性的 一项极为重要的内容。块体理论是一种有效的裂隙岩体稳定性分析方法，其分析完全是 三维分析，这正是岩体工程的主要特点。但块体理论仅考虑了结构面和开挖面的产状而 未考虑其具体位置，得出的关键块体可能在开挖面中并没有出现，尤其在多裂隙条件下 工程计算量非常大，以手工计算难以按时、保质完成分析。 为了解决上述问题，本文采用块体理论中了可实现程序化的矢量分析法，依据其原 理编制计算程序v a t s ( v e c t o r a n a l y s i sf o r t u n n e ls t a b i l i t y ) ，实现自动化分析岩体中可能 产生的可动块体并绘制三维块体示意图。从而为工程规划、方案设计，工程开挖、支护、 监测等提供更加合理可靠的依据，为工程建设服务。 1 2 块体理论国内外研究概况及发展趋势 1 9 7 7 年石根华博士发表了“岩体稳定分析的赤平投影方法”一文，可认为是块体理 论的雏形，1 9 8 2 年i l e g o o d m a n 与石根华正式提出了块体理论饵l o c kt h e o r y ) 1 - 2 1 ，标志 着块体理论基本成熟。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经出现的可移动块体的类型，分析块体几何形态特征与块体失 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。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，成为工程岩体稳定分析的 一种有效方法，在地下硐室、边坡、坝基等岩体稳定性分析中得到较为广泛的应用。 目前块体理论的分析方法一般为作图法和矢量分析法。作图法采用全空间赤平投影 方法直接作图求解，该方法简便、直观，仅需圆规、直尺作图，无须进行复杂计算。矢 量分析法将平面和力系以矢量表示，通过矢量运算给出全部分析结果，可实现计算机编 程计算。 块体理论在国外发展研究应用较早，c h 缸l - y ( 1 9 8 6 ) p l 将块体理论应用在岩石开挖 工程选址及最佳方案设计中；s f h o e r g e r 、c a s t o n e 应用随机及确定性模型分析研究 了地下开挖工程中的关键块体；九l k 觚z l l l o v i c 应用块体理论进行了隧道围岩衬砌及支 护设计；j s k u s m m u l ( 1 9 9 5 ) 睁5 】一直在研究如何估计地下开挖工程中关键块体的大小， 地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用 并提出了若千方法，如节理间距估计法、数值分析法和随机模型统计法等；r o c s c i e n c e 公司应用块体理论开发了分析程序u n w e d g et is w e d g e f q 。u n w e d g e 界面友好，操作简 单，虽然其只能进行块体稳定性的粗略评价，但仍在国内外块体研究中得到了众多的应 用。2 0 0 1 年推出的s w 默l g e 可以用来计算边墙块体的体积及稳定性系数。 块体理论最早由我国学者刘锦华【s 】介绍到中国，他对块体理论的基本原理和分析方 法及在岩石边坡、地下硐室、坝基坝肩等岩体工程中的应用作了系统全面的介绍，为进 一步研究块体理论奠定了基础；王思敬等【9 l 最早应用块体理论的矢量分析法对地下工程 围岩块体进行了研究，确定了平面四面体、曲面四面体、平面五面体和复合四面体的边 界条件、滑动方式和稳定性评价：陈斗勇等【l o 】应用块体理论的基本思想，采用理论力学 中定轴转动理论分析了岩石块体的滚动起始条件，讨论了转动块体的力学模型和数学表 达式，提出了转动块体的判断条件；赵文j 采用概率分析的方法，推导了多组节理切割 岩体形成关键块体概率的计算公式，从而使原来的一些关键块体转化为稳定块体，减少 了关键块体的数量。李华晔【1 2 1 认为块体的失稳方式不仅仅是单个块体的滑动，而是可能 像滑坡一样有一定的规模滑动，并且认为块体受力不仅是一个合力而是多个力的作用： 傅鹤林1 1 3 】认为块体理论把节理长度假定为无限长，而实际工程中揭露的节理迹线长度是 有限的，这样用块体理论对岩体稳定性所作的分析结果将产生一定的误差，他把节理迹 线无限长的假定修正为有限长，并首次将节理随机概率模型引入块体理论，为使块体理 论更趋于完善作了新的尝试；张子新等f 悼1 5 】将赤平投影图解析化，提出了赤平投影解析 法，并应用该法分析了某矿卷扬机室的稳定性；张子新等还将分形几何与块体理论相结 合，提出了分形块体理论，建立了分形块体理论赤平解析法，并应用于三峡永久船闸高 边坡岩体稳定性分析中；许传华等i 峋对地下工程围岩稳定性的各种分析方法做了分析评 价。张斌【1 7 】，张奇华1 i s 】等分别根据块体理论进行软件开发，并应用于工程实际；陈剑平 1 1 9 1 等根据随机不连续面三维网络计算机模拟技术，建立了岩体不连续面空间分布概率统 计数值模型，在此基础上判断所有在临空面上出露的可动块体；黄志全等【硎利用全空间 赤平投影和矢量计算建立边坡方程，同时结合可靠度理论给出关键块体失效概率评价 式，最后以五面结构岩体为例应用所建方程。徐明毅等【2 l 】在完善刚体极限平衡分析矢量 法的基础上，采用树状结构深度优先的启发式搜索，建立了对岩石边坡寻找最危险滑动 组合及相应整体抗滑稳定安全系数的方法。 在块体理论发展过程中，其工程应用也日趋广泛，在国内三峡等许多重大工程中都 得到推广。黄正加等瞄l 应用块体理论对三峡地下厂房围岩裂隙随机块体及大型断层定位 和三峡船闸高边坡块体进行了分析；盛谦等刚应用块体理论和正交设计方法对三峡地下 厂房围岩中可能形成的随机块体类型、几何特征与稳定性进行了分析。肖诗荣1 2 5 】采用块 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 体理论对三峡工程地下厂房围岩稳定性分析后认为在节理发育的脆性围岩体i 、类围 岩中，应重点定位研究由不连续结构面组成的大型关键块体。一定条件下，通过调整工 程布置来避开特大型不良地质体是经济可行的方法。此外，块体理论还在隧道、地下巷 道和其他一些重大水利工程 2 6 - 3 1 】中的得到应用，收到良好效果。 1 3 程序基础 1 3 1v i s u a ib a s i c v i s u a lb a s i c 3 刀是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言，它 源自于b a s i c 编程语言。v b 拥有图形用户界面( g _ u i ) 和快速应用程序开发( 黜d ) 系统，可以轻易的使用d a o 、r d o 、a d o 连接数据库，或者轻松的创建a c t i v e x 控件。 程序员可以轻松的使用v b 提供的组件快速建立一个应用程序。 v b 程序类似于操作系统的样子，可以包含一个或多个窗体，或者是一个主窗体和 多个子窗体，还有对话框窗口可以用来提供弹出功能。 v b 的组件既可以拥有用户晃面，也可以没有。这样一来服务器端程序就可以处理 增加的模块。 v b 使用参数计算的方法来进行收集，这个方法中包含有大量的对象，提供基本的 面向对象支持。因为越来越多组件的出现，程序员可以选用自己需要的扩展库。v b 对 大小写不敏感，但是能自动转换关键词到标准的大小写状态，以及强制符号表入口的实 体变量名称遵循书写规则。 1 3 2 u t o o a d ( 1 ) a u t o c a d 介绍 a u t o c a d 是由美国a u t o d e s k 公司于二十世纪八十年代初为微机上应用c a d 技术 而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。 a u t o c a d 可以绘制任意二维和三维图形，并且同传统的手工绘图相比，用a u t o c a d 绘图速度更快、精度更高。a u t o c a d 具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方 式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使 用。在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。 目前它已经在航空航天、造船、建筑、机械、电子、化工、美工、轻纺等很多领域得到 了广泛应用，并取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。 ( 2 ) a u t o c a d 的二次开发， 地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用 a m o c a d 的二次开发目前主要采用第三代开发工具：v i s u a l l i s p 、a r x 及基于 a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术的v b a p a l m 等。 v i s u a l l i s p v i s u a l l i s p 是a u t o l i s p 的换代产品。它与a u t o l i s p 完全兼容，并提供它所有的功 能，是新一代的a u t o c a dl i s p 语言。v i s u a l l i s p 对语言进行了扩展，可以通过m i c r o s o f t a c t i v e xa u t o m a t i o n 接口与对象交互。同时，通过实现反应器函数，还扩展了a u t o l i s p 响应事件的能力。作为开发工具，v i s u a l l i s p 提供了一个完整的集成开发环境( i d e ) ， 包括编译器、调试器和其他工具，可以提高二次开发的效率。另外，v i s u a l l i s p 还提供 了工具用于发布独立的应用程序。 a r x a r x ( a u t o c a dr u n t i m ee x t e n s i o n ) 是a u t o c a dr 1 3 之后推出的一个以c + 十语言为 基础的面向对象的开发环境和应用程序接口。a r x 程序本质上为w i n d o w s 动态链接库 ( d l l ) 程序，与a u t o c a d 共享地址空问，直接调用a u t o c a d 的核心函数，可直接访问 a u t o c a d 数据库的核心数据结构和代码，以便能够在运行期间扩展a u t o c a d 固有的类及 其功能，创建能够全面享受a u t o c a d 固有命令特权的新命令。a r x 程序与a u t o c a d 、 w i n d o w s 之间均采用w i n d o w s 消息传递机制直接通讯。 o b j e c t a r x 应用程序以c + + 为基本开发语言，具有面向对象编程方式的数据可封装 性、可继承性及多态性的特点，用其开发的c a d 软件具有模块性好、独立性强、连接简 单、使用方便、内部功能高效实现以及代码可重用性强等特点，并且支持肝c 基本类库， 能简洁高效地实现许多复杂功能。 基于a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术的v b a 等开发工具 a c t i v e xa u t o m a t i o n 是一套微软标准，以前称为o l ea u t o m a t i o n 技术。该标准允 许通过外显的对象由一个w i n d o w s 应用程序控制另一个w i n d o w s 应用程序，这也是面向 对象编程技术的精髓所在。a u t o c a d 从r 1 4 开始增加了作为a c t i v e xa u t o m a t i o n 服务器 应用程序的功能，使得许多面向对象编译语言和应用程序可以通过a c t i v e x 与a u t o c a d 进行通信，并操纵a u t o c a d 的许多功能。 a c t i v e xa u t o m a t i o n 服务器应用程序是通过自身对象的属性、方法和事件实现其功 能。对象是服务器应用程序简单而抽象的代表。不管是用、b 、v c 、o f f i c ev b a 等从外 部开发，还是用a u t o c a dv b a 从内部对a u t o c a d 进行二次开发，都是通过调用a u t o c a d 的对象体系结构来进行的。 一4 大连理工大学硕士学位论文 a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术的完全面向对象化编程的特点，使其开发环境具备了强大 的开发能力和简单易用的优良特点，开发工具的选择也具有很大的灵活性。所以，利用 a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术，是极具潜力的一种开发手段。 1 4 本文研究内容 本文依据块体理论基本原理，通过v i s u a lb a s i c 语言编制地下硐室围岩稳定性分析 主程序，通过a u t o c a da c t i v c x 自动化技术对数据进行后处理，实现v i s u a lb a s i c 与 a u t o c a d 连接，绘制块体三维示意图，并将该软件应用于荒滩水电站地下硐室围岩稳 定性分析中。 程序设计思路以块体理论中的矢量分析法为基础，并结合地下硐室三维坐标体系。 通过结构面产状与硐室几何数据，建立结构面与临空面方程。程序以三个结构面为一组， 先判断三个结构面自身是否有交点，然后再判断与临空面的交点，从而确定整个块体的 顶点坐标。通过顶点坐标可计算出块体体积，判断块体位置。通过a u t o c a d 则可将块 体三维几何形态展示出来，并在a u t o c a d 中设置了不同的图层，以方便的显示地下硐 室不同位置出露的块体。 荒滩水电站地下硐室群围岩岩质坚硬、完整，硐室群节理裂隙较发育，地质条件满 足块体理论假设。因此在荒滩水电站地下硐室群围岩稳定性分析中应用v a t s 程序分析 可能失稳块体的出露情况，再对这些块体进行深入分析：通过绘制块体平面展布图，得 到地下硐室关键区域；通过统计裂隙参与块体组合情况，得到关键裂隙。 地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用 2 块体理论介绍 2 1 块体理论的基本假定、研究方法和特点 在坚硬和半坚硬的地层中，岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体，在自然 状态下，这些块体是稳定的，但当进行地下工程的开挖时，开挖造成的卸荷作用改变了 块体原有的平衡，使得块体出现失稳的现象。首先失稳的块体被称作关键块体，其对工 程的安全性构成严重威胁，因此，研究块体的稳定性实质就是研究结构面的空间展布特 征，进而找出关键块体。块体理论是一种理想化的方法，它是建立在一定假设基础上的， 其基本假设f 3 】如下： ( 1 ) 结构面为平面，对某个工程而言，结构面具有确定的宏观表征产状，可由现场 地质测量或通过一定的计算手段获得。 佗) 结构面贯穿所研究的岩体，将岩体切割成独立的块体，并不考虑块体本身的强 度破坏。 ( 3 ) 所有的块体均假定为刚体，即不考虑块体的变形和畸变。 ( 4 ) 岩体的失稳是指岩体在上覆自重、开挖释放的荷载和其它工程外力作用下沿结 构面滑移或塌落以及转动。 根据块体理论的基本假定，结构面可以看成空间平面，块体可以被看成空间凸面体， 将各种荷载看成空间向量，进而应用几何方法( 拓扑学和集合论) 详尽研究在已知结构 面的条件下，岩体内将构成的块体类型和可动性，通过力学分析，确定块体的滑动力， 为工程设计提供理论依据。块体理论是完全符合工程需要的三维分析，这是块体理论得 到极大推广的基础。块体理论的实质是通过一系列计算，寻找开挖临空面上的关键块体， 这也是工程施工人员最关心的。另外，块体理论可以为工程岩体的处理和加固提供理论 依据，由于块体理论的理论基础是完备的，因此，块体理论在应用数学领域具有重要的 价值，但块体理论仍存在缺陷，即结果的准确性依赖于结构面上参数选取和基本假设的 合理性。 2 2 块体的分类及定义 2 2 1 块体的类型 岩体中的块体形状各异，杂乱无章，然而从岩体工程稳定性的观点出发，其中有些 块体类型对于岩体工程不存在失稳问题，无需对其做过多的研究；而有些块体类型则是 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 岩体工程事故的根源，这正是需要我们主要研究的对象。块体理论从几何学和力学角度 对块体进行分类【8 1 【1 7 1 ，如图2 1 所示。 无限块体 ( 块体分类) 1 有限 图2 1 块体的分类 f i g 2 1c l a s s i f i c a t i o no f b l o c k 2 2 2 各类块体的定义 ( 1 ) 块体 泛指被各类结构面和临空面所切割的岩体。 ( 2 ) 无限块体 是指未被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，这类块体虽受结构面和临空面 切割，但仍有一部分与母岩相连。 ( 3 ) 有限块体 是指被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，亦可称为分离体。有限块体又分 为不可动块体和可动块体两类。 ( 4 ) 不可动块体 不可动块体又称倒楔块体，这类块体沿空间任何方向移动皆受相邻块体阻碍，如果 相邻块体不发生移动，它也不可能移动。 ( 5 ) 可动块体 是指沿空间某一方向或若干方向移动而不受相邻块体阻碍的块体，可动块体又分为 稳定块体、可能失稳块体和关键块体。 ( 6 ) 稳定块体 是指在工程力和自重作用下，即使滑动面的抗剪强度为零也能保持稳定的块体。 ( 7 ) 可能失稳块体 是指在工程力和自重作用下，由于滑动面有足够的抗剪强度才保持稳定的块体，若 滑动面上的抗剪强度降低，这类块体可能失稳。 ( 8 ) 关键块体 一一 体聪河陕 块 体 动 块 可 动 不 可 举块 地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用 是指在工程力和自重作用下，由于滑动面上的抗剪强度不足于抵御滑动力，若不施 加工程锚固措施。必将失稳的块体。 块体理论的基本方法就是首先通过几何分析，排除所有的无限块体和不可动块体， 再通过运动学分析，找出在工程力和自重作用下所有可能失稳的块体。然后，根据滑动 面的物理力学特性，确定工程开挖面上所有的关键块体，并计算出所需锚固力，从而制 定出相应的锚固措施。 下图为各块体类型的二维示意图1 5 1 。 1 ) 无限块体2 ) 倒楔块体3 ) 稳定块体4 ) 可能失稳块体5 ) 关键块体 图2 2 块体类型的二维示意图 f i g 2 2t w od i m e n s i o n a ls c h e m a t i cd r a w i n go f b l o c kt y p e s 2 2 3 棱锥的类型 如果我们将空间各组结构面和临空面平移，使之通过坐标原点，则空间平面将构成 以坐标原点为顶点的一系列棱锥。为了便于对块体结构进行一般的运动学分析，现提出 不同类型的棱锥的定义嘲嘲。 ( 1 ) 裂隙锥o p ) 仅以结构面为界的岩体半空间所构成的棱锥称为裂隙锥，亦即块体完全由结构面切 割而成。 ( 2 ) 开挖锥( e p ) 仅以临空面为界的岩体半空间所构成的棱锥称为开挖锥，亦即块体完全由i l 函空面切 割而成。 ( 3 ) 空间锥( s p ) 仅以临空面为界的没有岩体一侧的半空间所构成的棱锥称为空间锥，亦即开挖锥以 外的空间。 ( 4 ) 块体锥( b p ) 大连理工大学硕士学位论文 由一个以上临空面和若干组结构面为界的岩体半空间所组成的棱锥称为块体锥，亦 即块体至少有一面临空。 上述各棱锥之间有以下关系： ( 1 ) 空间锥为开挖锥的补集，即： s p = e p ( 2 1 ) ( 2 ) 块体锥为裂隙锥与开挖锥的交集，即 b p = j p n e p ( 2 2 ) 2 3 空间块体的数学表达式 由空间解析几何可知，空间平面的普遍方程可表达如下： 血+ b y + c a = d ( 2 3 ) 一个平面将全空间划分为两个半空间，则半空间的数学表达式为： 血+ 砂+ c z d ( 2 4 ) 亦即：所有满足上式中点的集合构成半空问。 若某块体由n 个半空间构成，这些数学表达式为： 4 x + 骂y + c l z d l 4 x + b 2 y + c 2 z d 2矗渤 ： 4 工+ 或y + g ：见 亦即：n 面块体可以用n 组不等式表述，它是n 个半空间的交集。 在式2 3 一式2 5 中，都包含有常数项d ，其集合意义是表示平面、半空间和块体在 空间的具体位置。若平移各平面，使其通过坐标原点，则上述各式将转换成如下形式： 通过原点的平面数学表达式： a x + 8 y + c z = 0 通过原点的半空间数学表达式： 血+ 毋+ q 0 令块体的各界面通过原点则构成棱锥，它可用下列不等式组表达： ( 2 6 ) ( 2 7 ) 地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用 4 x + 与y + c i z 0 如+ 缈+ c 2 二o( 2 8 ) 4 ，+ e y + c z 0 亦即：棱锥是结构面通过坐标原点的各半空间的交集。 2 4 块体的有限性与可动性 2 4 1 块体理论两个定理 ( 1 ) 有限性定型8 l 3 2 1 岩体受结构面切割后，将形成无限块体和有限块体两大类。若已知岩体受n 组结构 面切割，经证明，将构成2 “个块体，但在这些块体中我们主要考虑的是有限块体。如何 来判断这些块体中哪些是有限块体，哪些是无限块体，需要引入一个重要的定理，即有 限性定理。 设某凸块体( 当块体内任意二点连线完全包含在块体内时。则该块体称为凸块体) 由n 个半空间的交集构成，平移各半空间界面使之通过坐标原点而形成棱锥。棱锥为空 集，则相应的凸块体为有限；反之，若棱锥为非空集，则相应的凸块体为无限。 棱锥为空集的含义是，组成棱锥的各半空间仅交于一点，即坐标原点，不存在公共 域。这样的棱锥称为空棱锥。根据有限性定理，空棱锥相应于有限块体。 棱锥为非空集的含义是，组成棱锥的各半空间存在公共域。这类棱锥称为非空棱锥。 根据有限性定理，非空棱锥相应于无限块体。 块体理论的重要数学基础，就是将块体转换成棱锥进行分析和运算。 由式2 2 已知：b p = j p n e p ，则该定理又可以表述如下： 块体为有限的充分必要条件是，裂隙锥与开挖锥的交集为空集。即： j p n e p = 咖( 2 9 ) 同理，因为s p = 一e p ，故该定理亦可表述为，块体为有限的充分必要条件为其裂隙 锥完全属于空间锥，即： j p c s p ( 2 1 0 ) ( 2 ) 可动性定理嗍 3 2 1 有限块体并非都是可动块体，因此在研究了块体的有限性判断后，需要进一步探讨 块体的可动性判别。 大连理工大学硕士学位论文 若由结构面和临空面共同构成的块体为有限块体，而仅由结构面构成的裂隙块体为 无限，则该块体为可动块体；着由结构面和临空面共同构成的块体为有限块体，而仅由 结构面构成的裂隙块体亦为有限，则该块体为不可动块体，即为倒楔块体。也可以这样 来表述块体的可动性定理，即块体可动的充分必要条件是： 朋e p 钾n j p ：中 = 中i 、7 2 4 2 矢量分析法判断 岩体受结构面切割以后，形成了裂隙块体，其中大部分为无限块体，少部分为有限 块体，而我们关注的是无限裂隙块体，因为它是块体可动的必要条件。矢量分析方法的 基本逻辑是：构成棱锥的结构面两两相交，其交线即为棱锥的棱，若某二界面构成的棱 位于棱锥其它各界面形成的半空间以内，则该棱为此棱锥的真实棱，若此棱锥所有的棱 都是真实棱，则该棱锥为非空棱锥，即相应为无限裂隙块体，反之，只有一个棱为非真 实棱，则该梭锥为空集。即相应为有限块体。采用矢量分析法来判别裂隙块体的基本步 骤【8 】如下： ( 1 ) 由各组结构面只的产状，即倾角和倾向屈，求出该结构面上的单位法线矢量 矗，如式2 1 2 。 曩= ( 4 ，置，g ) = ( s i n a , s i n 尼，s i n a f c o s f l f ，c o s a f ) ( 2 1 2 ) ( 2 ) 求出各结构面的交线，即棱矢量元： l 了y ：l = 羁嘭= 1 4层g l = f ( 马c j - b j c , ) ，( 4c j - 4 c ，) ，( 4 马一4 置) 】 ( 2 1 3 ) 1 4eq l 其中r 癌= ( 4 ，置，e ) ，嘭- - ( a ，马，q ) ( 3 ) 对结构面的各种可能的相交组合，计算其各棱毛是否为该棱锥的真实棱。当某 个矢量与该平面的向上法线矢量的点积大于0 时，说明该矢量在该平面的上半空间；反 之若点积小于0 ，则该矢量在下半空间，为便于分析计算，引入“方向参量”口的概念： 掣= j g 珥( 绣最，) 瑰】o d( 2 1 4 ) 地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用 f + 1 ，说明棱矢量l 在界面乓上半空间 露= 0 ，说明棱矢量恰在界面足上 ( 2 1 5 ) 【一1 ，说明棱矢量在界面& 下半空间 各方向参量组成一个“方向参量矩阵”孵】矗。，再将某块体的符号编号 d j = 【，( q ) ，j ( 口2 ) ，( ) 】编成如下的“块体符号编号矩阵”【d 】： f 地) 01 【d 】= i +o l ( 2 1 6 ) 1 0 ，( ) j 这样就可以建立该块体的“判别矩阵”【t 】： 口1 鼋。= r l a 。【d 】。 ( 2 17 ) 组成该矩阵的元素为彤= 露“q ) ，由于，( 吼) 只能是+ l 、- 1 、0 或l ，根据式2 1 4 犁= 露，( 吼) = s i 弘 元( 1 ( a d 幺) 】 ( 2 i s ) 其中，反为界面最的向上法线矢量，丘= j ( q ) 丸则为界面最的指向b p 内部的法 线矢量。二者的关系为： i 帆， i 一也， k 。10 ， l 晚， 说明b p 在界面r 的上半空间 登霎罢雩髦譬凳譬三半空间 ( 2 ，9 ) 说明r 不是b p 的界面 ” 说明丑为b p 的一对平行界面 判别矩阵【刀的每一行表示某一条棱与b p 的关系。当掣= s i g n ( i , f 也) = + 1 时，说 明毛与也同属于界面最包括b p 的半空间；硭= - 1 时，说明j ：r 属于足的不包括b p 的半 空间。换句话说，一毛属于最的包括b p 的半空间：露= o 时，说明恰在界面最上或最 1 l + 0 一 ，f1【 = ) p (醇 g 时 0 o o = o ，即净滑动力为正值，则该可动块体为关键块体。反之，若， 0 ( 2 2 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 j = 产 图2 4 块体脱离岩体运动 f i 晷2 41 。a v i n gr o c km a s sm o t i o nw i t hb l o c k i 图2 5 块体脱离岩体运动二维示意图 f i g 2 5 t w o d i m e n s i o n a ls c h e m a t i c d r a w i n g o f l e a v i n g r o c k m a s s m o t i o n w i t h b l o c k ( 2 ) 沿单面滑动 若可动块体的运动方向j 仅与某一结构面i 平行，则该块体满足平衡方程式2 。2 2 的 充分必要条件为j = 霉，且e 尹o ，( 其中量为尹在平面i 上的投影) 。 地下硐室块体稳定性分析程序开发及工程应用 毒 图2 6 块体沿单面滑动 f i g 2 6s i n g l e - s i d e ds l i d i n go f b l o c k 图2 7 块体沿单面滑动的二维示意图 f i g 2 7t w od i m e n s i o n a ls c h e m a t i cd r a w i n go f s i n g l e - s i d e ds l i d i n go f b l o c k 由图2 6 可以看出，当块体沿结构面i 运动时，其运动方向j 与主动力