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摘要：巖體由結構面和結構體組成，其結構特性是巖體力學行為、變形和破壞形式的主要控制因素。巖體結構控制論是巖體工程的基礎理論。本文從巖體結構的工程地質模型、力學模型出發，總結了現今較廣泛應用的巖體結構力學分析方法，并簡要介紹了巖體結構控制論的工程應用。

關鍵詞：巖體結構控制論工程地質模型分析方法

一、巖體結構的工程地質模型

巖體形成和發展過程伴隨著各種內、外地質營力的作用，從成巖的類型分為沉積巖、巖漿巖和變質巖三大類，由于結構面的存在使巖體具有一定的結構，其結構特性控制著巖體的性質和變形破壞，因此，我們在解決巖體工程問題時，應該從巖體的地質模型出發。孫廣忠教授建立了8個基本的地質模型：水平層狀巖體、緩傾層狀巖體、陡傾層狀巖體、陡立層狀巖體、彎曲層狀巖體、完整塊狀巖體、碎裂塊狀巖體和巖溶化塊狀巖體。孫玉科在研究了大量露天礦和水電工程的邊坡滑坡資料后，歸納出5種具典型意義的工程地質模型，即：金川模型、葛洲壩模型、鹽池河模型、白灰廠模型和塘巖光模型。目前，這些模型廣泛的應用在巖體工程中，從地質模型建立的角度考慮，首先應該調查巖體中結構面的發育特征以及與結構體的組合特征，查明巖體的賦存地質條件，如地下水、地應力條件等，再與上述的基本類型進行對比，選擇適合巖體工程的模型。為了便于后面的力學分析，在建立地質模型時從各基本模型的共性特征入手，并根據工程自身的特點充分體現其個性的一面。因此，建立巖體的工程地質模型是一項系統的工作。

二、巖體結構力學模型

孫廣忠提出了四種巖體介質，并根據介質的特性提出了四種巖體力學的分析方法，表1中是四種力學介質巖體特性。

表1各種力學介質巖體特征

連續介質

碎裂介質

板裂介質

塊裂介質

巖體結構

1、完整結構

2、高地應力下散體結構及碎裂結構

低地應力下條件下碎裂結構及粗碎屑散體結構

板裂結構

部分碎裂結構

塊裂結構

巖體變形機制

結構體壓縮及剪切為主

結構體（壓縮、剪切），結構面（閉合、滑移）

結構體橫向彎曲及縱向縮短

沿結構面滑移

巖體破壞機制

材料的張及剪破壞

沿結構面滑動、結構體滾動、結構體張及剪破壞

彎折、潰屈、傾倒滑動

沿軟弱結構面滑動

巖體力學性質控制因素

材料及環境因素

材料、結構效應及環境因素

軟弱結構面及結構體

軟弱結構面

巖體力學性質研究方法

典型地質單元三軸力學試驗及尺寸效應

巖塊三軸試驗、尺寸和圍壓效應

軟弱結構面力學性質及彈性模量

軟弱結構面力學性質及爬坡角理論

巖體力學分析方法

連續介質巖體力學

碎裂介質巖體力學

板裂介質巖體力學

塊裂介質巖體力學

對于基巖斜坡失穩破壞主要表現為軟弱巖體的蠕滑變形、巖體沿著已存在的地質結構面發生剪切破壞、巖石塊體的塌落和板狀結構巖體的傾倒、上部巖體沿巖層層面或較軟弱夾層發生剪切滑動等。李鐵峰將基巖斜坡的變形模式進行了總結，根據結構面傾向、傾角與斜坡產狀之間的關系，以及軟弱夾層的發育情況，將斜坡的變形模式分為傾倒變形、潰屈型破壞、順層滑動破壞、裂隙滑動、侵入接觸滑動、拉裂－脫離母巖－崩塌、壓縮流變。

三、巖體結構力學的分析方法

早期多數把巖體看成連續的介質，用一些連續的線性分析方法來解決巖體力學問題。根據巖體不連續、方向異性等特點，目前出現了許多的不連續分析方法，如：離散元算法、塊體理論、DDA方法等，其理論基礎更符合巖體的性狀。

離散元法（DiscreteElementMethod）考慮結構體受力后的運動狀態，以及由此導致受力狀態及系統的變形（塊體運動）隨時間的變化，該法由Cundll于1971年首次提出，用來計算結構面和結構體組成巖體的非連續變形，以后又進一步發展了考慮塊體本身的彈性變形，并推廣至三維和動力問題。目前，離散元應用的文章較多，而研究基礎計算方法的文章很少，因此，加強離散元法基礎理論、基礎算法及誤差分析方面的研究，汲取有限元法等數值方法的優點，使之既能保持在描述散體的整體力學行為和力學演化全過程方面的優勢，又能有效描述介質局部連續處應力狀態和變形狀態，使離散元法的模型建立真正滿足幾何仿真，物理（本構）仿真，受力仿真和過程仿真的原則，是離散元法研究領域的首要工作。

塊體理論由石根華（1977）提出并在美與Goodman合作完善起來的，應用幾何學、拓撲學碎裂結構巖體。近些年，塊體理論在巖體工程中應用十分廣泛，E.Hoek等（1998）應用塊體理論開發了用于地下開挖工程的分析程序—Unwedge；2001年Rocscience公司推出了Swedge4.0，該軟件可以用來計算邊墻塊體的體積及穩定系數。汪衛明、陳勝宏（1998）在矢體概念的基礎上開發出三維巖石塊體系統的自動識別方法，該方法能夠有效解決包含不規則地形面和非貫通結構面等情況下的復雜塊體的識別問題；盧波、陳劍平等通過應用隨機不連續面三維網絡模擬技術對復雜有限塊體的自動搜索及確定其空間幾何形態，并提出了“有形即是有限”的分析方法；張子新等把分形幾何與塊體理論相結合，提出分形塊體理論，建立分形塊體理論赤平解析法，并把隨機概率模型引入分形塊體理論，研究了三峽高邊坡關鍵分形塊體的滑落概率和分形塊體的大小及其分布密度；張子新等將赤平投影圖解析化，提出了塊體理論的赤平投影解析法，并應用該法分析了某礦卷揚機硐室的穩定性；趙文把概率理論引入節理跡長分布的研究之中，推導了多組節理切割巖體形成關鍵塊體概率的計算公式，從而使原來的一些關鍵塊體轉化為穩定塊體，減少了關鍵塊的數量。

近年來，石根華又將塊體理論進一步發展，1993年由石根華提出的塊體系統不連續變形數值分析新方法，簡稱為DDA方法，該方法是求解塊體系統連續變形、大變形和大位移數值分析方法，塊體的形狀可以是任意的凸凹多邊形，塊體間也不一定要求角點接觸。國內已研制了二維DDA程序軟件，并與日本九州大學環境地盤工學研究中心合作將三維塊體分析方法應用于三峽船閘高邊坡的巖體穩定分析，并對船閘開挖施工過程及其支護效果的數值模擬，繪制了各開挖步序的巖體變形等值線圖。

四、巖體結構控制論的工程應用

隨著國民經濟的發展和大型建設項目的實施，涉及到大量的地下工程建設項目，如采礦巷道、道路隧道、水電工程的地下洞室等。地下工程的一項主要研究工作就是分析圍巖應力重分布特點以及變形破壞規律，這些都要受到巖體結構的控制。例如：康立勛通過研究塊狀結構巖體中自重應力傳播的法則，得到了巖體的應力大小受巖塊數量以及巖塊幾何參數控制的結論，并將研究結果用于計算煤炭地下采場頂結構載荷。隧道工程中巖爆和巖體結構關系密切，完整性好的巖體易發生巖爆，當節理裂隙發育到一定程度一般不會發生巖爆；巖層的層厚狀態及層面與洞室的空間組合關系與巖爆有重要的關系；優勢節

理組與最大主應力的夾角大小也與巖爆緊密相關。

上面提到了巖質邊坡變形破壞形式主要受控于巖體的巖性和結構特性。如：河西走廊金川露天礦上盤西區邊坡變形破壞、烏江雞冠山崩破壞和清江水布埡水利樞紐馬崖高邊坡等屬于傾倒破壞；因此，分析巖體穩定性時，應根據巖體的巖性、巖體結構特性等對邊坡進行分區，分析各區巖體力學機制和變形破壞機制，再結合邊坡開挖各項參數計算邊坡穩定性。

一般計算地基沉降變形時，把地基巖體當作各向同性介質，未考慮結構面的影響。其實，當巖體中的節理裂隙發育程度及方位滿足某種條件時，則地基的滑移變形將受其中的優勢結構面控制。如：章楊松等對潤揚大橋節理化巖體，運用優勢結構面理論，分析確定了影響和控制巖體地基沉降變形的優勢結構面組合，提出了“優勢結構面模型”與“遍有節理單元模型”數值分析確定巖體地基沉降變形的聯合算法。遍有節理單元模型是考慮遍布巖體中的節理對巖體的受力和變形的影響的數值分析方法計算時輸入了眾多組結構面的參數，而考慮優勢面時只輸入兩組左右優勢面的參數，次要的結構面則忽略之。在相同力條件下，考慮優勢結構面影響時，計算的地基變形大于不考慮優勢結構面影響時計算的地基變形，說明優勢結構面對地基的變形有明顯的影響，因而也將影響地基的承載力。

五、結論

本文從巖體工程地質模型、結構力學模型、分析方法和工程應用這四個方面總結了巖體結構控制論的研究和應用現狀。根據巖體的巖性特征、結構面發育情況、巖體的地應力、地下水條件等建立巖體的工程地質模型，并將巖體劃分為四種力學模型，分析巖體結構控制下的變形破壞機制。介紹了目前用于不連續巖體結構計算的方法。對巖體結構控制論在地下工程、邊坡工程、庫岸工程和地基基礎中的應用作了簡單介紹。

參考文獻

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