【建筑科學(xué)論文】層狀巖體力學(xué)特性及其工程應(yīng)用研究

1、【建筑科學(xué)論文】層狀巖體力學(xué)特性及其工程應(yīng)用研究 中南大學(xué) 碩士學(xué)位論文 層狀巖體力學(xué)特性及其工程應(yīng)用研究 姓名：黃杰安 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士 專業(yè)：安全技術(shù)及工程 指導(dǎo)教師：曹平 20060501 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 中文摘要 摘 要 層狀巖體作為一種廣泛存在于邊坡等巖體工程中的地質(zhì)體，其穩(wěn)定性 研究一直受到巖土工程界的關(guān)注，層狀巖體的破壞有其自身特點(diǎn)，在土木、 水利、巖土工程中，層狀巖體一旦破壞，很容易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我 國(guó)西部山區(qū)存在著大量的層狀構(gòu)造巖體，隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的不斷深 入，西部山區(qū)各類巖體工程的修建，這些巖體工程如果遭受破壞，將會(huì)造 成嚴(yán)重的后果，因此，對(duì)于層狀巖體穩(wěn)定

2、性的研究就具有緊迫性。 本文以湖南竹城二級(jí)公路K81K83段邊坡建設(shè)為背景，首先從研究 邊坡工程地質(zhì)情況出發(fā)，分析和總結(jié)邊坡內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)面的分布情況，通過(guò) 室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定巖體的物理力學(xué)特性，接著以彈塑性力學(xué)為基礎(chǔ)從理論上分 析了層狀巖體的力學(xué)特性，探討了層狀巖體的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，并通過(guò)模 擬原位試驗(yàn)進(jìn)一步分析層理的力學(xué)特性；在工程應(yīng)用中，從分析影響層狀 巖體邊坡穩(wěn)定性的各種因素入手，探討不同結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀下層狀巖體邊坡的 破壞機(jī)理，建立了一種判別層狀巖體邊坡破壞模式的方法。最后采用基于 離散單元法的工程應(yīng)用軟件3DEC對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過(guò)數(shù)值模擬 對(duì)順層巖質(zhì)邊坡在不支護(hù)和支護(hù)狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)

3、證。模擬結(jié)果表 明：在不支護(hù)狀態(tài)下的開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖面越大，邊坡巖體沿著軟弱層面 發(fā)生的位移越大，開(kāi)挖進(jìn)行到第四步時(shí)，左側(cè)邊坡發(fā)生了滑坡；因此，本 文根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和工程特點(diǎn)，提出了使用長(zhǎng)短錨桿結(jié)合的方式進(jìn)行邊坡支 護(hù)，充分發(fā)揮兩種錨桿的錨固特點(diǎn)和巖體自穩(wěn)特性，結(jié)果表明：在使用這 種錨桿支護(hù)方式下，邊坡的位移得到控制，達(dá)到加固邊坡的目的，對(duì)實(shí)際 工程具有較好的指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：層狀巖體，力學(xué)特性，層理，層狀巖質(zhì)邊坡 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 ABSTRACT ABSTRACT in Stratifiedrockmassisakindofrockmasseswhich exists broadly

4、suchfits researchof stability geotechnicalengineeringslopeengineering111e rockmasses attract attentioninthe Stratufied always peopleS its civil reaimThefailureofStratifedrockmasshas own characterizes，In failure engineering，once engineering，hydrologicalengineering,geotechnical a it causeenormouslosst

5、othe ofOurnationTherearegreat may economy rockin of the dealofstratified themountainousOillnationWith regions oftheWesterward kindsofrockmass out，a11 improvement opening of willbeconstructedinthemountainouswestern，the engineering regions failureoftheserockmass willcausedisaster willbe engineering re

6、sultSO，it an taskto onthe featuresofstratifiedrock urge study mechnical K82toK83of The is onthe fromPile paperbackgroundslopeengineering roadin the Secondary ZhuCheng HunanFirstly,weinvestigate envoromentof andsummarizethedistribution slope，Secondly,Weanalyze characterizesofstructurein the slope，thi

7、rdly,wesurveyphysicalproperifies of inthe andthen themechanicalfeaturesof Stratifiedrock laboraty analyze stratifiedrockonthebasisof alSOdiscussthe plastoelasticmechanism,we constitutiverelationofstratifiedrockmassandfurther plastoelastic analyze the themechanicalfeatures thein-sutitestsIn ofbedding

8、planesbysimulating first allkindsofeffectswhich in part engineeringapplication，weanalyze play the of rock thendiscussthefailuremechanismof stratified stability slope，and of structures alSO stratifiedrock inconditiondifferent distribution，we slope builda to thefailuremodeofstratifiedrock upwaycharge

9、the of software3DECwhichiSbaseonthediscreteelement helpengineering the of rock in simulateandeonflrm code，we slope stabilityconsequent conditionof andwithout resultofsimulationshow support support,西e areas that：intheexcavatatecoursewithout more excavate，the support，the willcause theweakness structur

10、es，when along fLrfishing biggerdisplacement the have tothe fouthexcavationthe failedAccording step slope engineering characterizesand forwarda which experiences，weput way engineering combineswithshortcablethemselvesSanchor tothe long speciality wemakeclear this using support applicationengineering，a

11、nd that：by 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 ABSTRACT metllodthe of canbecontrolledillacertainandwe displacement flope range task will tothe attain廿leof makea remforcmgslopeit guidesignificance slope iIl reinforcingengineeringpractise KEYWORDS：Stratifiedrock mass，Mechanicfl feamres，Beddingplane， Stratifiedrock slope I 中南大

12、學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 第一章緒論 11引言 巖體是由結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體組合而成的，它的力學(xué)特性同巖石與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特征 有關(guān)，但既不完全與巖石的力學(xué)特征相同，也不完全與結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特征相同，它具 有自己的特點(diǎn)“m1。結(jié)構(gòu)面是巖石中沒(méi)有或具有低抗拉強(qiáng)度的力學(xué)不連續(xù)面的總稱， 它是節(jié)理，層理、片理面、弱面等很多類型結(jié)構(gòu)面的總術(shù)語(yǔ)。巖體的結(jié)構(gòu)面，在很大 程度上影響了巖體的變形、破壞及應(yīng)力傳遞等力學(xué)作用“”。巖體與一般介質(zhì)的重大 差別在于它是由結(jié)構(gòu)面縱橫切割而具有一定結(jié)構(gòu)的多裂隙體，巖體中的結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體 的變形和破壞起著控制作用。作為工程對(duì)象的巖體是十分復(fù)雜的，歷經(jīng)地質(zhì)年代無(wú)數(shù) 次地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體

13、中生成了錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)和力學(xué)特征與其成 因及形成過(guò)程密切相關(guān)。工程巖體開(kāi)挖以后，原巖應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力發(fā)生重新 分布，將會(huì)沿著不連續(xù)面發(fā)生滑移、錯(cuò)動(dòng)等，造成巖體的失穩(wěn)。層狀巖體又稱板裂巖 體，是指分布有一組占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面 如層面、片理面等 的巖體。其優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面大 多屬于物質(zhì)分異面，所以層狀巖體中構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的穩(wěn)定情況在很大程度上受控于優(yōu)勢(shì) 結(jié)構(gòu)面的發(fā)育與分布，平行優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面方向，巖體的組成基本相同，力學(xué)性質(zhì)也基本 相同，而垂直優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面方向，巖體的組成則呈現(xiàn)頻繁的軟硬交替，力學(xué)性質(zhì)相差較 大。據(jù)調(diào)查，自然界中具有層狀構(gòu)造的沉積巖占陸地面積的23 我國(guó)占773 ，許多 變質(zhì)巖

14、也具有層狀構(gòu)造特征，所以在人類工程活動(dòng)中將遇到大量的層狀巖體穩(wěn)定問(wèn) 題。 12選題的研究意義和目的 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，國(guó)家實(shí)施了西部大開(kāi)發(fā)展戰(zhàn)略，為了開(kāi)發(fā)和利用西 部豐富的資源，我國(guó)西部地區(qū)將逐漸加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，西部地區(qū)由于其自身的地質(zhì) 構(gòu)造特點(diǎn)分布著大量的層狀巖體，因此，在進(jìn)行公路、鐵路、硐室、隧道開(kāi)挖、地基 處理等巖土工程活動(dòng)過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到層狀巖體穩(wěn)定性問(wèn)題。巖體變形和強(qiáng)度 性質(zhì)主要取決于巖體結(jié)構(gòu)，巖體結(jié)構(gòu)不同時(shí)，它的變形特征、強(qiáng)度特征和破壞機(jī)理有 著本質(zhì)的區(qū)別。巖體中存在地應(yīng)力，它是由于地質(zhì)構(gòu)造和重力作用等形成的內(nèi)應(yīng)力， 由于巖體工程的開(kāi)挖引起地應(yīng)力以變形能的形式釋放，

15、導(dǎo)致巖體工程變形和破壞。當(dāng) 公路，鐵路、洞室經(jīng)過(guò)層狀巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)層時(shí)，因巖體開(kāi)挖的影響，導(dǎo)致巖體應(yīng)力分 布發(fā)生變化，往往容易造成巖體失穩(wěn)和破壞。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 由于對(duì)層狀巖體的工程特性缺乏深入了解而造成重大事故的工程屢見(jiàn)不鮮，1959 年，法國(guó)的馬爾帕塞大壩因左肩巖體沿弱面滑動(dòng)造成潰壩事件；1963年，震驚世界的 意大利Vaiont水庫(kù)近壩段的巨型滑坡就是沿層面發(fā)生的；我國(guó)葛洲壩工程則因?qū)訝顜r 體中的軟弱夾層而使工程幾度停工，進(jìn)行補(bǔ)充勘察、重新設(shè)計(jì)，工程投資增長(zhǎng)了十幾 倍；目前在建的小浪底工程，無(wú)論是壩址選擇、壩軸線選擇以及水工建筑物布置，還 是工程造價(jià)、施工進(jìn)度等，都在很

16、大程度上受控于層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定和洞室頂拱層狀 圍巖穩(wěn)定問(wèn)題。此外，湖南張家界市張清公路的路塹層狀巖體滑坡、已建的位于黃河 上游的李家峽水電站壩前的2?；隆⒃诮ǖ奈挥谒拇ò姿臐h平壩水電站壩前左岸 的漢平壩滑坡、擬建的位于雅碧江上游類邊坡變形破裂機(jī)理，因此，研究層狀巖體的 力學(xué)特性對(duì)于正確分析評(píng)價(jià)層狀巖體的穩(wěn)定性和采取合理的處治方案設(shè)計(jì)具有重要 的指導(dǎo)意義。 目前對(duì)于層狀巖體邊坡破壞形式、穩(wěn)定性分析和加固治理，國(guó)內(nèi)外的研究較多， 但對(duì)于層狀巖體邊坡各向異性、破壞特點(diǎn)、形成機(jī)理的系統(tǒng)分析，國(guó)內(nèi)外的研究很少， 層狀巖體特性目前正在進(jìn)一步研究中；對(duì)于層狀巖體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和軟弱結(jié)構(gòu) 面的抗剪強(qiáng)

17、度測(cè)定，層狀結(jié)構(gòu)巖體公路路塹邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析國(guó)內(nèi)外的研究也較 少。因此，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、試驗(yàn)測(cè)定、理論分析和數(shù)值模擬，探討層狀巖體的力 學(xué)特性和層狀巖質(zhì)邊坡的形成機(jī)理以及層狀巖體路塹邊坡穩(wěn)定性的影響因素，在此基 礎(chǔ)上對(duì)竹城公路層狀巖體路塹邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)提出合理化建議，并對(duì)該路層狀巖體路塹 邊坡提出經(jīng)濟(jì)、適用、安全、美觀的防護(hù)方案，預(yù)防層狀巖體路塹大型滑坡災(zāi)害的形 成和發(fā)生為宗旨的科研研究將具有重要的經(jīng)濟(jì)意義、社會(huì)意義以及環(huán)境保護(hù)方面的意 義。 13層狀巖體國(guó)內(nèi)外的研究狀況和趨勢(shì) 131層狀巖體國(guó)內(nèi)外研究狀況 層狀結(jié)構(gòu)是沉積巖的主要特征，是工程中最常見(jiàn)的巖體之一。目前，在層狀巖體 力學(xué)特性方面

18、的研究主要集中在： 1 層狀巖體力學(xué)特性的各向異性特點(diǎn) 趙平勞舊“1指出層狀巖體并不是各向同性介質(zhì)，具有巖體的一般力學(xué)特性，即抗 拉與抗壓性能有明顯差異；僅就拉伸或壓縮而言，層狀巖體為典型的橫觀各向同性介 質(zhì)，巖體的力學(xué)性能一般隨層位而變，尤其是軟硬相間巖體及受軟弱夾層分割的巖體。 羅祖道、李思簡(jiǎn)嘲認(rèn)為在一般力學(xué)上可將層狀巖體處理成橫觀各向同性體。即在層面 的任意方向上彈性性質(zhì)是相同的，而與該層面垂直的軸是材料的彈性旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸，其 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可用5個(gè)彈性系數(shù)來(lái)表征陳勝宏、王鴻儒、熊文林嘲利用Horland應(yīng) 2 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 交迭加原理將巖體應(yīng)變分為巖石應(yīng)變與節(jié)理應(yīng)變兩種

19、，由幾何關(guān)系導(dǎo)出其綜合應(yīng)變。 時(shí)向東n01等通過(guò)對(duì)巖質(zhì)高邊坡巖體各向異性研究，對(duì)比地分析了層狀巖體各向異性系 數(shù)的特點(diǎn)，為進(jìn)一步研究層狀巖體的力學(xué)特點(diǎn)提供了參考。朱浮生、王泳嘉m“盥1等也 認(rèn)為層狀巖層組成的巖體具有明顯的非均質(zhì)與各向異性特征，對(duì)于分層厚度及力學(xué)性 質(zhì)隨機(jī)變化的較一般情況，從等效模型概念出發(fā)，將層狀巖體簡(jiǎn)化為等效橫觀各向同 性體，同時(shí)為了模擬巖體的不連續(xù)面，給出了等效模型節(jié)理單元的表述。 2 層狀巖體結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性 賀少輝，李中林n31給出了巖層厚度相等而層面力學(xué)性質(zhì)相同或?qū)用媪W(xué)性質(zhì)不 同，巖層厚度不等而層面力學(xué)性質(zhì)相同或?qū)用媪W(xué)性質(zhì)不同的層狀巖體彈塑性本構(gòu)關(guān) 系，并證明它

20、是合理的。張勤“”等人在大量地質(zhì)調(diào)查及分析基礎(chǔ)上建立能夠較客觀地 模擬層狀巖體變形破壞結(jié)構(gòu)特征的概化地質(zhì)模型，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體穩(wěn)定性的控制作 用，揭示了層狀巖體的變形特征朱澤奇、曾亞武洶1分析了層面傾角對(duì)層狀巖體的破 壞模式及其相應(yīng)的單軸抗壓強(qiáng)度的影響?？紤]到在采礦工程中很多地下開(kāi)挖都在層狀 圍巖中進(jìn)行Adhikary九等用層狀理論模擬地下硐室的開(kāi)挖。數(shù)值計(jì)算結(jié)果精確預(yù)報(bào) 了模型試驗(yàn)各處的試驗(yàn)位移值。耿大新，楊林德m1在分析層狀巖體力學(xué)特征的基礎(chǔ)上。 研究了層狀巖體的數(shù)值模擬方法，并結(jié)合算例，分析了洞室開(kāi)挖后巖體的變形特征。研 究表明，層狀巖體的力學(xué)特性因?qū)用媾c主應(yīng)力夾角的變化而變化，采用彈塑

21、性接觸面 單元可較好地模擬層面的變形特性。劉卡丁、張玉軍，劉誼平n8”剮等提出了一種層狀 巖體的抗剪強(qiáng)度c，矽值隨方向變化的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，并與前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì) 試算的方法，可判斷在三維應(yīng)力條件下層狀巖體是否產(chǎn)生剪切破壞面以及產(chǎn)生時(shí)的方 位。朱澤奇、曾亞武、徐能熊、何滿朝m脅也進(jìn)行了類似的研究。 3 層狀巖體變形和抗彎剛度研究 余成學(xué)，熊文林，陳勝宏吼11提出了考慮層狀巖體彎曲變形效應(yīng)的cosserat有限 元算法，推導(dǎo)了層狀巖體巖層彎曲、層面錯(cuò)動(dòng)或拉開(kāi)的屈服準(zhǔn)則，并驗(yàn)證了它們的合 的變形并與增設(shè)節(jié)理單元法迸行了對(duì)比。趙平勞瑚1利用組合梁原理推導(dǎo)出層狀巖體的 抗彎剛度公式，并考慮其含軟弱夾層

22、時(shí)的力學(xué)效應(yīng)。 4 巖體變形模量的經(jīng)驗(yàn)估算 目前主要有2種方法確定層狀巖體變形參數(shù)取值問(wèn)題；種方法是通過(guò)試驗(yàn)按彈 性理論解析解或數(shù)值解進(jìn)行分層變形模量計(jì)算1嘲；另一種方法主要是將其作為基本 單元體，按照材料參數(shù)等效法視為弱化的均質(zhì)連續(xù)體確定等效變形模量。如 間的關(guān)系等九，周火明，盛謙陳殊偉等“們通過(guò)模型模擬研究了層狀復(fù)合巖體等效變形 3 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 模量的尺寸效應(yīng)。徐光黎“”對(duì)巖體強(qiáng)度和變形模量的經(jīng)驗(yàn)估算方法進(jìn)行了探討。 5 層狀巖體模型和模擬研究 理進(jìn)行了對(duì)比研究。余成學(xué)、熊文林、陳勝宏、劉俊、黃銘、葛修潤(rùn)“1等人根據(jù) Cosserat理論，建立了層狀節(jié)理巖體的二維和三

23、維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并得到了良好 的分析結(jié)果；此外還考慮了層狀巖體的彎曲效應(yīng)，采用空間彈性偶應(yīng)力理論對(duì)層狀 節(jié)理 巖體開(kāi)挖試驗(yàn)進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。余成學(xué)、熊文林、 張玉珍m1提出了彎曲變形效應(yīng)的層狀巖體屈服準(zhǔn)則，并通過(guò)數(shù)值微分與數(shù)值計(jì)算與地 質(zhì)力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)比，證明了所提出的屈服準(zhǔn)則是合理的。劉考學(xué)1采用對(duì)互層狀巖 體或節(jié)理巖體的不同介質(zhì)進(jìn)行“分離、集中”的方法得到了此類巖體的二維和三維粘 彈性模型。 132層狀巖體國(guó)內(nèi)外研究方法綜述 在研究方法方面，層狀巖體結(jié)構(gòu)作為一種不連續(xù)介質(zhì)，因其巖體具有各向異性以 及不均勻性、不連續(xù)性特點(diǎn)，對(duì)于巖體及巖體中層理面、軟弱夾層的變形和強(qiáng)度

24、，分 析方法主要有解析法、計(jì)算力學(xué)數(shù)值分析法與模型實(shí)驗(yàn)法。由于巖體材料的復(fù)雜性和 巖體構(gòu)造的復(fù)雜性使得在巖土工程的應(yīng)力和變形分析中，難以采用解析法，即使采用 也必須進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化，得出的結(jié)果難以滿足工程需要。伴隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng) 用而發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)數(shù)值分析方法，在巖體工程中正顯示出越來(lái)越強(qiáng)大的生 命力和得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。與大型物理模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)值方法具有快速、 便捷、費(fèi)用低、可以模擬巖體材料和構(gòu)造的各種特性以及施工過(guò)程等特點(diǎn)，使它逐步 成為巖體工程分析中更為有力的工具。 現(xiàn)階段的數(shù)值分析主要是采用彈塑性力學(xué)理論和數(shù)值計(jì)算方法，從研究巖體的應(yīng) 力和位移場(chǎng)的角度，分析評(píng)價(jià)巖

25、體在一定的環(huán)境條件下的穩(wěn)定性狀況。就目前的數(shù)值 計(jì)算而言，從分析原理、基本思路和適用條件等方面考慮對(duì)于層狀巖體的分析適合的 主要有以下七種： 1 有限元法 FEM 有限單元法以彈塑性力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，通過(guò)求解彈塑性力學(xué)方程 物理方程、 幾何方程、平衡方程 ，計(jì)算巖土體在一定的環(huán)境條件 自重、荷載等 下的應(yīng)力場(chǎng)和 變形場(chǎng)，然后根據(jù)巖土體的破壞準(zhǔn)則，判斷巖土體在各個(gè)相應(yīng)部位應(yīng)力的作用下所處 的狀態(tài)，圈定可能發(fā)生破壞 拉張破壞，塑性破壞等 的部位和區(qū)域，并據(jù)此對(duì)整個(gè)巖 體的穩(wěn)定性狀況作出半定量的評(píng)價(jià)。有限元方法50年代中期在航空學(xué)界首先發(fā)展起 4 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 提出了巖體中裂隙不

26、能承受拉力的有限元法。而隨著各國(guó)力學(xué)和巖土工程界學(xué)者如 AnnamariaCividini，etc 1991 ，EC 年代國(guó)際上在這方面的研究水平。隨后，在國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)出了大量相關(guān)的研究成果，其 黃運(yùn)飛 1994 等。 有限單元法可以模擬復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，可以考慮巖體及結(jié)構(gòu)材料的彈塑性及施工 加載過(guò)程，是一種有效和成熟的數(shù)值分析方法呻“1，但有限元畢竟是一種建立在連續(xù) 介質(zhì)微變形理論基礎(chǔ)上的數(shù)值方法，對(duì)于節(jié)理巖體這種被裂隙、節(jié)理、斷層等構(gòu)造面 切割而成的非連續(xù)巖體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，用有限元進(jìn)行分析時(shí)需要引入大量特殊單元 如裂 隙單元、節(jié)理單元、薄層單元等啪M耵1來(lái)模擬巖體變形的不連續(xù)性，勢(shì)必加大網(wǎng)格剖分、

27、 數(shù)據(jù)處理的困難和繁瑣性，并且眾多的特殊單元還將大大影響計(jì)算精度。而且不能計(jì) 算巖體沿某些結(jié)構(gòu)面所發(fā)生的滑動(dòng)變形 大變形 。 2 邊界元法 BEM 邊界元法是70年代發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)值方法，CrouchSL于1976年首先將其應(yīng) c 用到分析層狀巖體的開(kāi)挖穩(wěn)定問(wèn)題，Brebbia 的工程應(yīng)用進(jìn)行了詳盡的介紹，與有限元方法不同，它只對(duì)研究區(qū)的邊界進(jìn)行離散， 因而它要求的數(shù)據(jù)輸入量較少。該方法對(duì)處理無(wú)限域或半無(wú)限域問(wèn)題比較理想，它要 求事先知道求解問(wèn)題的控制微分方程的基本解，但在處理材料的非線性、不均勻性、 模擬分步開(kāi)挖等方面還遠(yuǎn)不如有限元法，它同樣不能求解大變形問(wèn)題因而，邊界元 法目前在邊坡巖體

28、穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用還遠(yuǎn)不如在地下洞室中應(yīng)用廣泛。胡本雄，劉 東燕，朱可菩舊兒n1對(duì)邊界元法在層狀巖體地下工程中的應(yīng)用作了一定的研究。 3 離散元法 DEh9 離散元法是由CundallPA 1971 首先提出并應(yīng)用于巖土體穩(wěn)定性分析的一種數(shù) 值分析方法。它是一種動(dòng)態(tài)的數(shù)值分析方法，可以用來(lái)模擬巖體的非均質(zhì)、不連續(xù)和 大變形等特點(diǎn)，因而，也就成為目前較為流行的一種巖土體穩(wěn)定性分析數(shù)值方法。該 方法假定巖體是由大量裂隙分割開(kāi)的巖塊沿各裂隙面“雄砌”而成 即離散介質(zhì)假設(shè) ， 然后運(yùn)用牛頓第二定律計(jì)算組成邊坡的各“巖塊”在自重和外荷載作用下隨時(shí)間而變 化的加速度、速度和位移。其假設(shè)條件是巖體維離散介質(zhì)

29、和巖體可以沿節(jié)理裂隙等結(jié) 構(gòu)面產(chǎn)生滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)等大變形，因此該方法主要用于模擬邊坡發(fā)展演化的晚期階段 即 邊坡經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展演化，己接近散體破壞 的變化破壞過(guò)程。 在離散單元法的研究中，CundallPA和lhrtR是國(guó)際上較有影響的先驅(qū)者，并 5 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 授做了大量的研究工作，對(duì)巖體特別是地下硐室圍巖的變形與破壞進(jìn)行了全過(guò)程的模 擬研究，開(kāi)發(fā)了應(yīng)用軟件。在此基礎(chǔ)上，邢紀(jì)波 1991 、淘連金 1998 等也相繼開(kāi)展 了對(duì)地下采空區(qū)頂板穩(wěn)定性的研究，有效地模擬了巖體變形與破壞的全過(guò)程。候克鵬、 焦玉勇、張丙印、李世海池“1等則將離散單元法應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中，并且取得了

30、良 好的效果。 由于離散單元法允許塊體問(wèn)發(fā)生平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)，甚至脫離母體下落，結(jié)合CAD技術(shù) 可以在計(jì)算機(jī)上形象地反應(yīng)出邊坡巖體在應(yīng)力場(chǎng)、位移及速度等力學(xué)參量的全程變 化。該方法對(duì)塊體結(jié)構(gòu)、層狀或一般節(jié)理巖體比較合適，能較好地解決巖體的穩(wěn)定問(wèn) 題。離散單元法只考慮巖塊的平衡條件及巖塊在外力作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，沒(méi)有考慮材 料的性質(zhì)，特別是夾層材料的本構(gòu)關(guān)系，這勢(shì)必與巖體結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況有較大的差距。 并且離散單元法還存在著計(jì)算收斂速度慢的問(wèn)題。 4 DDA法 DDA法是美籍華人石根華博士在1986年提出的以研究非連續(xù)塊體系統(tǒng)不連續(xù)位移 和變形為目的的一種新的離散型數(shù)據(jù)值計(jì)算方法。它兼具有限元與離散元法兩

31、種方法 的部分優(yōu)點(diǎn)。這種方法將每個(gè)塊體作為一個(gè)單元，塊體與塊體間通過(guò)接觸機(jī)構(gòu)進(jìn)行連 接，塊體網(wǎng)絡(luò)可按實(shí)際地質(zhì)不連續(xù)面生成，塊體形狀可以是多面塊體，塊體之間的接 觸可以是面、邊、角三者任意組合而成的接觸形式。 DDA法的基本思想是： 1 以天然存在的不連續(xù)面 如節(jié)理、斷層等 切割巖體， 形成單個(gè)塊體單元。單元的形狀可以是任意多面體，塊體之間的接觸可以是面，邊、 角三者任意組合而成的六種形式之一。 2 以12個(gè)塊體位移變量 ，圪，以， 和 ，勺，乞，如，比 來(lái)表示塊體內(nèi)任意一點(diǎn)的位移和變形特征，具有普遍的物理 意義和直觀簡(jiǎn)潔性，DDA法采用與有限元法相似的位移模式，全一階多項(xiàng)式近似或高 階多項(xiàng)式近

32、似，視問(wèn)題的復(fù)雜性而定，塊體滿足平衡方程，塊體接觸面上采取合適的 摩擦方式來(lái)消耗能量。 3 塊體間嚴(yán)格遵守不侵入和不承受拉伸力的要求。通過(guò)塊體 問(wèn)的接觸和位移約束，將單個(gè)塊體有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，形成一個(gè)塊體系統(tǒng)。 4 在勢(shì)能 最小原理的條件下，建立單個(gè)塊體的單剛度矩陣以及塊體系統(tǒng)的總體剛度矩陣，按不 同的要求，反復(fù)形成和求解總體剛度矩陣，最后求得每個(gè)塊體和整個(gè)塊體系統(tǒng)的位移 變形。 DDA法由兩部分組成油1：正分析技術(shù)和反分析技術(shù)。DDA法將塊體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)按總 勢(shì)能最小建立平衡方程，塊體同不存在侵入問(wèn)題，DDA法不僅允許塊體本身有位移和 變形，而且還允許塊體間有滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、張開(kāi)等運(yùn)動(dòng)形式，既可計(jì)算

33、靜力問(wèn)題，又可 計(jì)算動(dòng)力阿題，既可計(jì)算巖體破壞前的小位移，也可計(jì)算破壞后的大位移。因此，DDA 法確定的破壞方式更接近實(shí)際情況。此法可以反映巖體連續(xù)和不連續(xù)的具體部位，考 慮了變形的不連續(xù)性和時(shí)間因素，然而由于巖體種類繁多，性質(zhì)復(fù)雜，計(jì)算時(shí)步的大 6 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 小對(duì)結(jié)果的影響較大，計(jì)算方法的優(yōu)化和改進(jìn)還有待提高。而且，其彈性機(jī)制的大量 使用主要集中于接觸分析接觸面和節(jié)理滑動(dòng)和張開(kāi)模型，對(duì)于其他巖體破壞型式的使 用還有待迸一步研究。 5 拉格朗日單元法 FLAc FLAC是連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分分析方法 Fast of LagrangiaAnalysis Continu

34、a 的英文縮寫，主要用于模擬由巖土體及其它材料組成的結(jié)構(gòu)體在達(dá)到屈服 極限后的變形破壞行為。該方法最早由Willkins用于固體力學(xué)。后來(lái)由美國(guó)的商業(yè)應(yīng) 用軟件公司ItascasConsultingGroupIn把此方法率先應(yīng)用于巖土體的工程力學(xué)計(jì) 了升級(jí)版的二維FLAC程序。由于FLAC方法在計(jì)算中使用了“混合離散化” Mixed 在某種程度上克服了有限元和離散元不能統(tǒng)一的矛盾。是目前世界上公認(rèn)的較為合理 的計(jì)算方法之一。在二維FLAC分析方法的工程應(yīng)用方面，黃潤(rùn)秋、許強(qiáng) 1995 應(yīng)用該 數(shù)值方法分析了某水電工程引水洞迸水口開(kāi)挖邊坡在不同條件下的變形破壞特征。同 時(shí)，對(duì)該工程的錨索加固處理

35、方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。實(shí)踐表明，顯示拉格朗日分 析在邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方面比常規(guī)穩(wěn)定評(píng)價(jià)方法具有更大的優(yōu)越性，隨后郝玉龍 位移、巖體加固等方面迸行了分析和運(yùn)用，對(duì)研究材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有重要作用 并揭示了應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題。陳文勝、馮夏庭 1999 依照FLAC的基本原理，建 立起與FLAC方法平行的一種連續(xù)介質(zhì)的巖土力學(xué)松弛計(jì)算分析方法一靜態(tài)松弛快速 拉格朗日，即連續(xù)介質(zhì)的靜態(tài)松弛快速拉格朗日分析法 S-FLAC 而且提出了分配法， 為S-FLAC的實(shí)施提供了簡(jiǎn)捷算法，推導(dǎo)了其相應(yīng)公式，闡述了其實(shí)施步驟。 隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，ItascasConsultingGroupInc又相繼

36、開(kāi)發(fā)了三維 FLAc程序 臥c3D ，目前三維瞰c程序升級(jí)到20版 FLAC3DV257 。謝和平等 1999 運(yùn)用FLAC3D VIO對(duì)礦山開(kāi)采沉陷進(jìn)行了預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了FLc能真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條 件，彌補(bǔ)一般經(jīng)典方法的不足。寇曉東、周維垣等 2000，2001 ，運(yùn)用FLAC2DV2O分 別對(duì)小灣拱壩和三峽船閘高邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，成功地模擬了巖體的三維力學(xué) 行為 6 塊體理論 分析方法，該法利用拓?fù)鋵W(xué)和群論方法來(lái)評(píng)價(jià)三維不連續(xù)巖體穩(wěn)定性。塊體理論為三 維分析方法，隨著關(guān)鍵塊體類型的確定，能找出具有潛在危險(xiǎn)的關(guān)鍵塊體在臨空面的 位置及其分布。塊體理論假定結(jié)構(gòu)面為平面、結(jié)構(gòu)體為剛體，不考慮

37、塊體本身的強(qiáng)度 破壞，認(rèn)為巖體的失穩(wěn)是巖體在各種荷載作用下沿剪切面產(chǎn)生的剪切滑移，運(yùn)用全平 面赤平投影和矢量分析方法找出可能失穩(wěn)的塊體、即關(guān)鍵塊體供工程設(shè)計(jì)加固控制 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 之用。從塊體理論多年應(yīng)用于開(kāi)挖施工和采礦工程等實(shí)踐來(lái)看，其對(duì)關(guān)鍵塊運(yùn)動(dòng)的險(xiǎn) 情預(yù)報(bào)是成功的，能較好地應(yīng)用于選擇邊坡開(kāi)挖的方向和形狀。然而，塊體理論僅能 查找出巖體工程的不穩(wěn)定區(qū)域，不提供大變形下的解答，不能模擬運(yùn)動(dòng)變形行為，還 需要迸一步研究塊體本身的變形，位移及塊體系統(tǒng)的不連續(xù)應(yīng)力、位移場(chǎng)。在塊體理 論和應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)如張子新，華安增油”1，劉錦華，呂祖巧脅】做了大量的研究。 7 Cossera

38、t介質(zhì)理論 來(lái)的。Cosserat應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域始于上世紀(jì)80年代，成果最為突出的首推 tlhlhaus，他的工作涉及層狀巖體、節(jié)理巖體層狀半無(wú)限土體、巖煤和砂礫等。通 過(guò)與試驗(yàn)或其它數(shù)值計(jì)算的對(duì)比表明，采用層狀和塊狀模型對(duì)節(jié)理巖體進(jìn)行數(shù)值模擬 得到的分析成果是合理可信的。國(guó)內(nèi)運(yùn)用Cosserat介質(zhì)理論在巖體研究方面作了開(kāi)創(chuàng) 性工作的有陳勝宏、熊文林、葛修潤(rùn)等人。他們通過(guò)Cosserat層狀空間彈性模型及相 關(guān)有限元模式的建立，將Cosserat理論在巖土工程中的應(yīng)用推廣到空間范圍淵”】。另 外，余成學(xué)、熊文林、陳勝宏m1利用該介質(zhì)理論建立了相應(yīng)的巖體屈服準(zhǔn)則。 133層狀巖體國(guó)內(nèi)外研究

39、趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和各種數(shù)值分析方法數(shù)值模擬軟件的推廣和應(yīng)用，層 狀巖體的研究呈現(xiàn)如下的發(fā)展趨勢(shì)： 1 新理論不斷涌現(xiàn)且不斷完善。 隨著層狀巖體結(jié)構(gòu)研究的不斷深入以及混沌、并行計(jì)算算法、突變理論、耗散理 論、大系統(tǒng)理論、分叉理論、分形幾何、小波分析、并行計(jì)模糊理論等新理論在工程 中的應(yīng)用。在積累了大量的工程實(shí)踐后，人們會(huì)逐漸提出相應(yīng)的層狀巖體的經(jīng)驗(yàn)公式 和強(qiáng)度屈服準(zhǔn)則，經(jīng)過(guò)理論和工程實(shí)踐不斷修正后可應(yīng)用于層狀巖體的研究，從而進(jìn) 一步推動(dòng)層狀巖體研究的發(fā)展。 2 新興數(shù)值分析方法占據(jù)主導(dǎo)地位。 新興發(fā)展起來(lái)的離散單元法、DD法等數(shù)值分析方法因其求解方便、廣泛的適應(yīng) 性以及相應(yīng)軟件的開(kāi)

40、發(fā)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，將在層狀巖體的分析中占據(jù)越來(lái)越重要的 地位叫81，而傳統(tǒng)的巖體穩(wěn)定性分析方法，如有限元法，邊界元法由于理論上的局限 性，對(duì)巖體不連續(xù)面的處理差強(qiáng)人意，往往局限于對(duì)局部特定巖體的穩(wěn)定性分析，其 使用受到一定的限制。 3 研究方法的耦合。 由于各種理論和分析方法的局限性，不可能找到一種能夠解決所有巖體問(wèn)題的全 能理論和萬(wàn)能方法，在研究層狀巖體過(guò)程中人們逐漸趨向于各種理論和方法問(wèn)的稻 合，以彌補(bǔ)相互問(wèn)的不足，以此來(lái)解決巖體力學(xué)方面的問(wèn)題，如離散元法和有限元法 8 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 藕合，離散元與邊界元法的耦合啊“腳 綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于層狀巖體的研究現(xiàn)狀，在定性和定量研究方面都取得了一定的成 果，但仍存在以下的不足： 1 對(duì)于層狀巖體的研究過(guò)程中