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1、岩体构造控制论的分析和应用一、岩体构造的工程地质模型岩体形成和开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，由于构 造面的存在使岩体具有一定的构造，其构造特性控制着岩体 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
2、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构造面的发育 特征以及与构造体的组合特征，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开展比照， 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入手，并根据工程自 身的特点充分表达其个性的一面。因此，建立岩体的工程地 质模型是一项系统的工作。二、岩体构造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。 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构造面
3、发生剪切破坏、岩石块体的塌落 和板状构造岩体的倾倒、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开展了总结, 根据构造面倾向、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、岩体构造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，其理论根底更符合岩体的性状。离散元法（Discrete Eleme
4、nt Method）考虑构造体受 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年首次提出， 用来计算构造面和构造体组成岩体的非连续变形，以后又进 一步开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，而研究根底计算方法 的文章很少，因此，加强离散元法根底理论、根底算法及误 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
5、过程仿真的原那么，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 完善起来的，应用几何学、拓扑学碎裂构造岩体。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 Unwedge； 20*年 Rocscience 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)在矢体概念的根底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那么地形面和非 贯穿构造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
6、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碉室的稳定性；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开展，
7、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 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、岩体构造控制论的工程应用随着国民经济的开展和大型建设工程的实施，涉及到大 量的地下工程建设工程，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
8、 应力重分布特点以及变形破坏规律，这些都要受到岩体构造 的控制。例如：康立勋通过研究块状构造岩体中自重应力传 播的法那么，得到了岩体的应力大小受岩块数量以及岩块几何 参数控制的结论，并将研究结果用于计算煤炭地下采场顶构 造载荷。隧道工程中岩爆和岩体构造关系密切，完整性好的 岩体易发生岩爆，当节理裂隙发育到一定程度一般不会发生 岩爆；岩层的层厚状态及层面与洞室的空间组合关系与岩爆 有重要的关系；优势节理组与最大主应力的夹角大小也与岩 爆严密相关。上面提到了岩质边坡变形破坏形式主要受控于岩体的 岩性和构造特性。如：河西走廊金川露天矿上盘西区边坡变 形破坏、乌江鸡冠山崩破坏和清江水布堤水利枢纽马崖高
9、边 坡等属于倾倒破坏；因此，分析岩体稳定性时，应根据岩体 的岩性、岩体构造特性等对边坡开展分区，分析各区岩体力 学机制和变形破坏机制，再结合边坡开挖各项参数计算边坡 稳定性。一般计算地基沉降变形时，把地基岩体当作各向同性介 质，未考虑构造面的影响。其实，当岩体中的节理裂隙发育 程度及方位满足某种条件时，那么地基的滑移变形将受其中的 优势构造面控制。如：章杨松等对润扬大桥节理化岩体，运 用优势构造面理论，分析确定了影响和控制岩体地基沉降变 形的优势构造面组合，提出了 “优势构造面模型”与“遍有 节理单元模型”数值分析确定岩体地基沉降变形的联合算法。 遍有节理单元模型是考虑遍布岩体中的节理对岩体的受力 和变形的影响的数值分析方法计算时输入了众多组构造面 的参数，而考虑优势面时只输入两组左右优势面的参数，次 要的构造面那么忽略之。在一样力条件下，考虑优势构造面影 响时，计算的地基变形大于不考虑优势构造面影响时计算的 地基变形，说明优势构造面对地基的变形有明显的影响，因 而也将影响地基的承载力。