地下工程围岩稳定性分析方法研究进展

1、series no. 320 金 属 矿 山总第320 期february 2003metal mine2003 年第2期地下工程围岩稳定性分析方法研究进展3许传华 任青文 李瑞( 河海大学)( 马鞍山矿山研究院)摘 要 对地下工程围岩稳定性分析方法和围岩体的破坏失稳判据作了总结与回顾, 并对这一研究的现状与发展趋势作了评述。关键词 地下工程 围岩稳定性分析 研究进展surrounding rock mass in underground engineeringxu chuanhua ren qingwen( hehai university)advances in researching t

2、he stability analysis methods of theli rui( maanshan institute of mining research)abstract methods for analyzing the stability of the surrounding rock masses in underground engineering and their failurecreterions are generalized. the current situation and development trend of thisresearch are review

3、ed.keywords underground engineering , stability analysis of surrounding rock masses , advance of research地下工程围岩稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容, 而围岩稳定性评价结果的正确与否直接关系到地下工程的成败。当前地下结构工程规模日益巨大, 技术问题复杂, 表现在地下工程埋深大, 体积庞大, 地质条件复杂等, 如将要兴建的南水北调西线工程主要由深埋长隧道系统构成, 隧道总长达260 km, 其中单段最长65 km, 埋深一般在500m以上。目前地下工程围岩稳定性评价方法很多,对这些

4、分析方法作一简单的回顾与总结, 了解这些分析方法在实际工程问题应用中的优点和不足之处, 以便于对分析成果进行正确的判断。1 围岩稳定性的分析方法根据地下工程围岩稳定性分析的数学模型,可将目前常用的围岩稳定性分析方法分为如下4 类。111 解析法在进行围岩稳定性分析时, 经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算, 并能得出弹性解析解13 。解析方法多用于圆形隧道的求解。当硐室是非圆形时, 就需要通过保角变换将单位圆外域映射到硐室外域, 而硐室的映射函数是问题的求解关键。解析法具有精度高, 分析速度快和易于进行规律性研究等优点。但解析法分析围岩应力和变形 目前多限于深埋地下工程 , 对于受地表边界

5、和地面34荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一 定的困难。112 数值分析方法在围岩稳定性分析中, 解析法只能适用于那些边界条件较为简单及介质特性不甚复杂的情况。多数的工程课题在特定条件下只能用数值法求解4 。(1) 有限元法。有限元法自 20 世纪 70 年代提 出发展至今 , 已经相当成熟 , 是目前最广泛使用的一 种数值方法 , 可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、 粘塑性等问题 , 是地下工程岩体应力应变分析最常 用的方法57 。其优点是部分地考虑了地下结构 岩体的非均质和不连续性 , 可以给出岩体的应力、变 形大小和分布 , 并可近拟地依据应力、应变规律去分 析地下结构的变形

6、破坏机制。但有限元在本质上是 一种连续介质的数值分析方法 , 为了模拟岩体中存 在的断层、节理、裂隙等结构面 , 考虑其非连续性 ,可 按结构面的特征采用不同的处理方法8 。有限元法 的应用是否真正有效, 主要取决于(2) 个条件: 一是对地质变化的准确了解, 如岩体深部岩性变化的界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等。二(3) 教育部2002 年重点基金项目(02123) 。许传华, 河海大学土木工程学院, 博士研究生,210098 江苏省南京市。许传华等: 地下工程围岩稳定性分析方法研究进展2003 年第2期是对介质物性的深入了解, 即岩体的各个组成部分在复杂应力及其变化的作用下的

7、变形特性、强度特性及破坏规律等(4) 。(5) dda 方法。由石根华与goodman!出的块体系统不连续变形分析(discontinuous deformationanalysis) 是基于岩体介质非连续性发展起来的一种二岩体介质非连续性发展起来的一种新的数值分析方法9 。 dda莫型建立了一套完整的块体系统运动学理论, 较好地模拟具有非连续面的岩体的运动与变形特性10 。文11 利用dda方法计算了地下岩体开挖的位移性态, 并将其与有限(6) 离散单元法。自从 cundall 首次提出离散单元dem(distinct element method) 模型以来, 这一方法已在岩土工程问题中得

8、到越来越多的应用。其基本思想是岩块之间的相互作用, 同时受表征位移力的物理方程和反映力- 加速度( 速度、位移) 的运动方程的支配, 通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程12 。离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时, 又能计算岩块内部的变形与应力分布。并且,它利用显式时间差分法( 动态松弛法) 求解动力平衡方程, 求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。该法主要用于分析节理岩体及其与锚杆( 索 ) 的相互作用13 、 14 。存在的主要问题是阻尼系数的选取和迭代计算的收敛性。元和实际位移监测结果进行了对比。(7) 块体 - 弹簧元分析法。 kawai

9、于1987 年提dda莫型将岩体完全离散化, 这与实际岩体的出了采用简化的刚性块体来模拟不连续介质的刚体情况不十分相符。将值模型结合起来,如将dda莫型与有限元数值方法结合，应该是dda莫型工程应用研究的发展方向。dda莫型与连续介质力学数弹簧元数值模型。它以单元形心的刚体位移为基本 未知量, 仅考虑单元之间缝面的变形协调和本构关(7) 块体单元法。任青文等提出的块体单元法, 是以块体单元的刚体位移为基本未知量, 根据它们在外力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层材料的本构关系, 建立起块体单元法的支配方程, 用于确定块体位移及夹层材料的应力状态15 、 16 。该法特别适用于具有地质

10、结构面岩体的 稳定分析, 与有限单元法相比, 可减少未知量个数,提高计算精度和速度。(8) flac 。为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷,cundall 根据有限差分法的原理提出了flac ( fast lagrangion analysis of continuum)数值分析方法。文17 提出了基于该方法的分析模型, 分析了页岩中水压力对隧硐稳定性的影响。文18 将这一方法用于巷道锚杆支护的稳定分析。该方法与有限元法相比, 能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性, 求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。(9) 边界元法。边界元法将偏微分方程变换成 求解对

11、象边界上的积分方程式并将其离散化求解。由于变换成边界上的方程式使问题比解析对象降低 了一维, 对于一般的线性问题只需进行区域边界的 单元分割 , 所以与有限元相比 , 具有计算时间短、计 算范围大等特点 , 但边界元法对奇异边界较难处 理19 。 系来建立求解的支配方程, 确定缝面的相对位移和 应力 20 。该模型在分析节理岩体的稳定性时具有 一定的优点, 可以反映围岩不连续的变形和运动规 律。文 21 根据节理岩体的特性 , 按弹簧块体理论 模拟节理岩体中大型地下硐室开挖与锚杆支护的变 形特征。1. 3 不确定性方法影响地下硐室围岩稳定性因素主要为地层岩性及产状、构造结构面组合形态、地应力状

12、态以及地下水的赋存情况等22 , 这些因素具有很大的不确定性, 表现为随机性和模糊性, 因此对地下结构岩体分析可采用模糊数学和可靠度方法进行研究。可靠性理论自应用于岩土工程以来, 在许多领域获得了较大的发展, 并被引入地下硐室稳定分析中。文2325 分别根据不同的岩石破坏判据建立极限状态方程, 采用概率论方法求得地下结构工程的破坏概率, 进而分析其稳定可靠性。地下工程及稳定性的界限是不清楚的, 具有相当的模糊性, 故可应用模糊数学理论进行研究。该理论现主要应用于地下工程围岩的稳定性分类中,而且日益受到重视。文2629 分别采用模糊数学中模糊动态聚类和isodat咪类等方法得到地下围岩的稳定性分

13、类模式, 为工程设计和制定相应工程措施提供重要依据。1. 4 其它方法除了上述常用的方法外, 其它一些理论与方法也在围岩稳定分析中得到应用。文30 从信息论角度出发, 将地下工程围岩看作一个灰色系统, 用灰色关联方法进行地下工程围 35 响 , 利用已有的资料、全度。(3) 分形理论 , 利用该理论可以预测围岩体的失稳破坏 39 。响 , 利用已有的资料、全度。(3) 分形理论 , 利用该理论可以预测围岩体的失稳破坏 39 。总第320 期金 属 矿 山2003 年第2期岩稳定性分类。地下工程围岩开裂和破坏主要由于结构面的断裂扩展和连通, 因此有人采用断裂和损伤力学方法来评价节理裂隙岩体稳定性

14、和变形行为31 、 32 。此外, 反分析等方法也被应用于围岩的稳定性分析中33 。任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排它的方法, 而把2 种或多种方法融合起来, 取长补短,是未来发展的一种趋势。如将解析法与数值方法相结合的半解析元法被应用于模拟双孔平行隧道施工过程34 , 模糊数学和神经网络结合的模糊神经网络方法也已被应用于围岩的稳定性分类中29 。2 地下结构围岩的失稳判据在围岩稳定性的数值分析中 , 常需要失稳判据 以表明岩体处于极限平衡状态。目前出的围岩稳定性判别方法较多 , 可以归纳为以下2 类判据。(1) 围岩强度判据。该判据在隧道地下结构围岩稳定性的数值分析中得到了广泛应用,

15、 该判据理论基础是强度破坏理论, 如德鲁克- 普拉格准则或莫尔库仑准则等, 即在低约束压力条件下, 当岩体内某斜截面的剪应力超过破坏理论规定的滑动界限范围时, 岩体就发生剪切极限破坏。从力学观点来看,围岩丧失稳定就是其中应力达到或超过岩体强度的范围比较大, 最后形成一个连续贯通的塑性区和滑裂面, 因而这部分岩体将会产生很大位移, 因此,隧道围岩稳定性评价实质上说就是岩体应力和变形的分析35 。文4 也提出: 破碎软弱岩体由于裂隙极“度发育, 岩石切割成碎石块体, 往往裂隙间夹大量泥质物, 所以具有非线性应力- 应变关系, 屈服强度低, 对于这类围岩可以用弹塑性和抗拉分析评价围岩稳定性” 。类似

16、用强度理论分析围岩稳定性的文献有很多。(2) 围岩变形量或变形率判据。在国内外有关规范中, 围岩稳定性判据多以变形值或变形速率为主, 认为围岩变形量或变形速率超过一定值岩体即发生破坏。具体的有围岩极限应变判据、围岩向内收敛位移和收敛比判据等。有人认为, 变形值或变形速率判据用于软弱围岩往往时效不佳, 根据牛顿运动定律, 物体从运动转变为静止状态的必要条件是, 加速度由负值渐趋为零。因此, 围岩稳定性判据应以加速度为主, 辅以变形值或变形速率, 据此提出了变形速率比值判据36 。然而采用不同的失稳判据得到的稳定安全度一 36 般是不相同的, 如何建立一个具有理论基础的、可得 到唯一解的失稳判据是

17、今后需要解决的问题。3 围岩体破坏分析的新方法近年来, 在围岩稳定分析方面出现的新理论和新方法主要有(1) 非线性稳定性理论, 如突变理论, 用来揭示围岩体破坏的演化过程37 、 38 。(2) 评价和预测新方法, 如模糊聚类分析2628 、人工神经网络29 及灰色模型30 等, 针对 岩体工程的不确定性 , 其安全性受到诸多因素的影4 发展趋势纵观围岩稳定性分析方法的发展, 各种方法均没有达到真正完满解决工程实际问题, 对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。同时, 由于各种技术革新、数学、力学及计算机技术的快速发展等均向理论分析不断提出新挑战 40 。围岩失

18、稳是一个相当复杂的过程, 通常伴随着变形的非均匀性、非连续性和大位移等特点, 是一个高度非线性科学问题。因此要对它的力学行为进行预测和控制 , 必须借助当代非线性科学。20 世纪70年代以来发展起来的非线性理论如分形、分叉、突变等正成为解决非线性复杂大系统问题的有力工具 41 。近年来 , 有关岩石破坏、突变、失稳的分叉与 混沌研究 , 突变、分叉和混沌理论在结构失稳分析的 应用不仅为在岩土力学中的应用奠定了基础 , 也为围岩失稳分析提供了全新的理论与方法。由于地下工程的复杂性, 围岩稳定性评价不能 依赖于单一方法 , 因此 , 依托于计算机技术, 进行多种方法综合评价分析 , 是未来发展的一

19、种趋势。同时由于地下工程常依赖于经验, 因此利用地下工程 的失稳和稳定实例来建立系统, 考虑多种因素影响 使多学科交叉融合, 也将是未来的发展方向之一42 。参考文献1 薛琳. 直墙拱形隧道围岩粘弹性位移解析解. 岩土工程学报1996 ：961012 朱大勇, 钱七虎, 周早生. 复杂形状硐室围岩应力弹性解析分析许传华等: 地下工程围岩稳定性分析方法研究进展2003 年第2期numer. anal. methods geomech ,1985 ：54155631 李术才, 李树忱, 朱维申. 三峡右岸地下电站厂房围岩稳定性断8 任青文. 岩体破坏分析方法的研究进展. 岩石力学与工程学报,200

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