岩体结构控制论的研究和应用

1、岩体结构控制论的研究和应用摘要：岩体由结构面和结构体组成，其结构特性是岩体力学行为、变形和破坏 形式的主要控制因素。岩体结构控制论是岩体工程的基础理论。本文从岩体结 构的工程地质模型、力学模型出发，总结了现今较广泛应用的岩体结构力学分 析方法，并简要介绍了岩体结构控制论的工程应用。关键词 ：岩体结构控制论工程地质模型 分析方法 一、岩体结构的工程地质模型岩体形成和发展过程伴随着各种内、外地质营力的作用，从成岩的类型分为沉 积岩、岩浆岩和变质岩三大类，由于结构面的存在使岩体具有一定的结构，其 结构特性控制着岩体的性质和变形破坏，因此，我们在解决岩体工程问题时， 应该从岩体的地质模型出发。孙广忠教

2、授建立了 8 个基本的地质模型：水平层 状岩体、缓倾层状岩体、陡倾层状岩体、陡立层状岩体、弯曲层状岩体、完整 块状岩体、碎裂块状岩体和岩溶化块状岩体。孙玉科在研究了大量露天矿和水 电工程的边坡滑坡资料后，归纳出 5 种具典型意义的工程地质模型，即：金川 模型、葛洲坝模型、盐池河模型、白灰厂模型和塘岩光模型。目前，这些模型 广泛的应用在岩体工程中，从地质模型建立的角度考虑，首先应该调查岩体中 结构面的发育特征以及与结构体的组合特征，查明岩体的赋存地质条件，如地 下水、地应力条件等，再与上述的基本类型进行对比，选择适合岩体工程的模 型。为了便于后面的力学分析，在建立地质模型时从各基本模型的共性特征

3、入 手，并根据工程自身的特点充分体现其个性的一面。因此，建立岩体的工程地 质模型是一项系统的工作。二、岩体结构力学模型 孙广忠提出了四种岩体介质，并根据介质的特性提出了四种岩体力学的分析方 法，表 1 中是四种力学介质岩体特性。表 1 各种力学介质岩体特征 连续介质碎裂介质板裂介质块裂介质岩体结构1、完整结构2、高地应力下散体结构及碎裂结构 低地应力下条件下碎裂结构及粗碎屑散体结构 板裂结构部分碎裂结构块裂结构岩体变形机制 结构体压缩及剪切为主 结构体（压缩、剪切），结构面（闭合、滑移） 结构体横向弯曲及纵向缩短沿结构面滑移 岩体破坏机制 材料的张及剪破坏 沿结构面滑动、结构体滚动、结构体张及

4、剪破坏 弯折、溃屈、倾倒滑动 沿软弱结构面滑动 岩体力学性质控制因素 材料及环境因素 材料、结构效应及环境因素 软弱结构面及结构体软弱结构面 岩体力学性质研究方法 典型地质单元三轴力学试验及尺寸效应 岩块三轴试验、尺寸和围压效应 软弱结构面力学性质及弹性模量 软弱结构面力学性质及爬坡角理论 岩体力学分析方法 连续介质岩体力学 碎裂介质岩体力学 板裂介质岩体力学 块裂介质岩体力学 对于基岩斜坡失稳破坏主要表现为软弱岩体的蠕滑变形、岩体沿着已存在的地 质结构面发生剪切破坏、岩石块体的塌落和板状结构岩体的倾倒、上部岩体沿 岩层层面或较软弱夹层发生剪切滑动等。李铁峰将基岩斜坡的变形模式进行了 总结，根

5、据结构面倾向、倾角与斜坡产状之间的关系，以及软弱夹层的发育情 况，将斜坡的变形模式分为倾倒变形、溃屈型破坏、顺层滑动破坏、裂隙滑 动、侵入接触滑动、拉裂脱离母岩崩塌、压缩流变。三、岩体结构力学的分析方法 早期多数把岩体看成连续的介质，用一些连续的线性分析方法来解决岩体力学 问题。根据岩体不连续、方向异性等特点，目前出现了许多的不连续分析方 法，如：离散元算法、块体理论、DDA方法等，其理论基础更符合岩体的性 状。离散元法（ Discrete Element Method ）考虑结构体受力后的运动状态，以及由 此导致受力状态及系统的变形（块体运动）随时间的变化，该法由 Cundll 于 1971

6、年首次提出，用来计算结构面和结构体组成岩体的非连续变形，以后又进 一步发展了考虑块体本身的弹性变形，并推广至三维和动力问题。目前，离散 元应用的文章较多，而研究基础计算方法的文章很少，因此，加强离散元法基 础理论、基础算法及误差分析方面的研究，汲取有限元法等数值方法的优点， 使之既能保持在描述散体的整体力学行为和力学演化全过程方面的优势，又能 有效描述介质局部连续处应力状态和变形状态，使离散元法的模型建立真正满 足几何仿真，物理（本构）仿真，受力仿真和过程仿真的原则，是离散元法研 究领域的首要工作。块体理论由石根华（1977）提出并在美与Goodman合作完善起来的，应用几何 学、拓扑学碎裂结

7、构岩体。近些年，块体理论在岩体工程中应用十分广泛， E. Hoek等（1998）应用块体理论开发了用于地下开挖工程的分析程序一Un wedge 2001年Rocscie nee公司推出了 Swedge4.0,该软件可以用来计算边 墙块体的体积及稳定系数。汪卫明、陈胜宏（ 1998）在矢体概念的基础上开发 出三维岩石块体系统的自动识别方法，该方法能够有效解决包含不规则地形面 和非贯通结构面等情况下的复杂块体的识别问题；卢波、陈剑平等通过应用随 机不连续面三维网络模拟技术对复杂有限块体的自动搜索及确定其空间几何形 态，并提出了“有形即是有限”的分析方法；张子新等把分形几何与块体理论 相结合，提出分

8、形块体理论，建立分形块体理论赤平解析法，并把随机概率模 型引入分形块体理论，研究了三峡高边坡关键分形块体的滑落概率和分形块体 的大小及其分布密度；张子新等将赤平投影图解析化，提出了块体理论的赤平 投影解析法，并应用该法分析了某矿卷扬机硐室的稳定性；赵文把概率理论引 入节理迹长分布的研究之中，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，减少了关键块的数量。 近年来，石根华又将块体理论进一步发展， 1993年由石根华提出的块体系统不 连续变形数值分析新方法，简称为 DDA方法，该方法是求解块体系统连续变 形、大变形和大位移数值分析方法，块体的形状可以是任意的凸凹多边形，块 体间也不一定要求角点接触。国内已研制了二维DDA程序软件，并与日本九州大学环境地盘工学研究中心合作将三维块体分析方法应用于三峡船闸高边坡的 岩体稳定分析，并对船闸开挖施工过程及其支护效果的数值模拟，绘制了各开 挖步序的岩体变形等值线图。四、岩体结构控制论的工程应用 随着国民经济的发展和大型建设项目的实施，涉及到大量的地下工程建设项 目，如采矿巷道、道路隧道、水电工程的地下洞室等。地下工程的一项主要研 究工作就是分析围岩应力重分布特点以及变形破坏规律，这些都要受到岩体结 构的控制。例如：康立勋通过研究块状结构岩体中自重应力传播的法