岩体稳定性分析与评价.doc

岩体稳定性分析与评价1 工程岩体的定义在工程地质中，把工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存于某种地质环境中的地质体称为岩体。岩体是在内部的联结力较弱的层理、片理和节理、断层等切割下，具有明显的不连续性。这是岩体的重要特点，使岩体结构的力学效应减弱和消失。使岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本身，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性1。工程岩体是十分复杂的，它受到自然地质作用和人类活动的共同影响。工程岩体稳定性评价与利用一直是人们研究的热点话题，国内外相关方面的研究一直没有间断。工程岩体通常是指与人类活动有关的地下或地表岩体，如地面的斜坡边坡、岩石基础、水库岸坡、地下硐室围岩以及矿区岩体等。具体而言工程岩体具有以下四个方面的含义：（1） 岩体中普遍存在的节理裂隙、断层、层里等软弱面不连续使大部分岩体失去了连续性而呈现出非线性大变形的力学形态。岩体的变形与强度特征在很多情况下都是由这些结构面控制的，加之岩体介质本身的非均质性，使得岩体的力学形态比土体复杂的多。（2） 由于各种条件的限制，工程岩体往往不可避免地处于高地应力、地下水、地震、地热等环境中，处于多因素控制的受力状态，使其变形与破坏规律更为复杂，经常涉及到固体力学水力学热力学场耦合作用。（3） 为满足工程建设要求，经常地对工程岩体进行各种扰动，如开挖、回填、加固处理等，从而使得工程岩体在时间和空间上呈现出复杂的性态特征。（4） 大多数工程岩体均为地表相对较浅的地壳岩体，经历各种地质营力作用，因人类工程活动表现为卸荷岩体力学行为和特征，不同于常规的加载岩体力学特征。2 工程岩体稳定性的影响因素及破坏形式 通常来讲，影响岩体稳定性的结构性因素主要是其自身的结构特征，其次是人类工程活动，最后是环境因素，包括地下水、地应力、地震、地热等。影响工程岩体稳定性的因素主要有以下几个方面：（1）岩块性质的影响包括岩石的坚硬程度、抗风化能力、抗软化能力、强度、组成、透水性等。（2）岩层的构造与结构的影响，表现在节理裂隙的发育程度及其分布规律、结构面的胶结情况、软弱面和破碎带的分布与边坡的关系、下伏岩土界面的形态以及坡向坡脚等。（3）水文地质条件的影响，包括地下水的埋藏条件、地下水的流动及动态变化等。（4）地貌因素，如边坡的高度、坡度和形态等。（5）风化作用的影响，主要体现为风化作用将减弱岩石的强度，改变地下水的动态。（6）气候作用的影响，气候引起岩土风化速度、风化厚度以及岩石风化后的机械、化学变化，同时引起地下水、地表水作用的变化。 （7）地震作用除了使岩土体增加下滑力外，还常常引起孔隙水压力的增加和岩体的强度的降低；另外，开挖、填筑和堆载等人为因素同样可能造成工程岩 体的失稳。工程岩体的失稳往往是多种因素共同作用的结果，导致边坡失稳的因素可 归结为两类 ：一是外界力的作用破坏了岩体原来的应力平衡状态，如边坡岩体 的开挖及坡顶上作用外荷载、渗流、地震力等；另一类是边坡岩体的抗剪强度由于受外界各种因素的影响而降低。岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性上发生某种变化。宏观连续性无显著变化者称为变形。如果宏观连续性发生了显著变化，称为破坏。岩体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩性、结构，也与所承受的应力状态及其变化有关。因为岩体在变形发展与破坏过程中，除岩体内部结构与外形不断发生变化外，岩体的应力状态也随之调整，并引起弹性能的积存和释放等效应。区域稳定和岩体稳定问题工程地质分析中的一个核心问题就是要对上述变化和效应作出预测和评价，并论证它们对人类工程活动的影响。2.1岩体破坏的基本形式根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪切破坏和张性破坏（或拉断破坏）两类。图2-1破坏方式影响因素：受荷载条件、岩性、结构以及所处的环境特征及两者相互配合的情况等因素影响。图2-1 岩体破坏的基本形式 2.1.1岩体变形破坏与受力状态的关系 岩石的三轴试验表明，岩石破坏形式与围压的大小有明显的关系（见图2-2）。（1） 当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉断破坏；（2） 随着围压增高将转化为剪断破坏；（3） 当围压升高到一定值以后，表现为塑性破坏。图2-2 岩石的三向应力状态与破坏方式（据伯奈克斯，1974）（a） 拉断破坏；(b)剪断破坏；(c) 塑性破坏（b）2.1.2岩体破坏形式与岩体结构特征的关系在低围压条件下岩石的三轴试验表明：（1） 在相同的应力状态下，完整块体状坚硬岩石表现为张性破坏，通常释放出较高的弹性应变能；（2） 含有软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力之间角度合适时，则表现为沿结构面的剪切滑动破坏；（3） 碎裂状岩体的破坏方式介于二者之间；（4） 碎块状或散体状岩体，表现为塑性破坏。3 结构面对岩体稳定性的影响70年代以来，国外外工程地质学家和岩体力学专家都注意到各种结构面切割的岩体与完整岩块的性质存在区别，并提出了岩块(Rock)和岩体(Rock Mass)的概念。其基本观点是，岩石是地壳发展过程中的自然历史产物，是构成地壳的主要独立组分，它可以由一种或几种造岩矿物或天然玻璃组成，具有稳定的外形的固态集合体。岩石按其成因可分成岩浆岩、沉积岩和变质岩；岩体通常是指不具有成层构造的岩浆岩或混合岩化的变质岩的俗称。在工程地质学领域，“岩石”和“岩体”是工程性质截然不同的两个术语。岩体内存在着不同成因、不同特性、不同方向的结构面。岩体中的结构面依自己的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成分各异的岩块，这些由结构面所包围的岩块统称为结构体。岩石仅仅是指构成岩体的物质组成或材料。岩体的工程性质主要取决于结构体的工程性质和结构面的工程性质，包括岩体赋存的地质环境(地应力、地下水等)和工程作用特点。其中，结构面是造成岩体工程性质复杂性的根本原因:一方面，结构面的存在破坏了岩体的连续性和完整性，使岩体具有不均一性和各向异性;另一方面，作为岩体组成部分的结构面本身，其几何上和力学上也是错综复杂的。结构面的存在是岩体作为工程介质区别于其他工程介质的本质根源。与土体相比，岩体工程性质的特殊性主要表现在以下三个方面:(l)不连续岩体是由不同规模、不同形态、不同成因、不同方向和不同序次的结构面以及被结构面围限而成的结构体共同组成的综合体，岩体在几何上和力学性质上都具有不连续性。(2)各向异性由于发育在岩体中的各种结构面均具有明显的方向性，受结构面的影响，岩体的工程性质呈现显著的各向异性。随着岩体中发育的结构面组数的增多，岩体工程性质的各向异性程度趋于减弱。(3)非均一由于岩体工程性质的不连续、各向异性以及岩体组成物质的非均质，加之结构面在岩体不同部位发育程度和分布规律的差异，不同工程部位的岩体常表现出不同的工程性质。岩体工程性质的特殊性决定了岩体工程性质的复杂性，要求对岩体工程性质的研究方法应与土体及其他工程介质相区别。结构面，根据谷德振教授(1979)的定义，它是地质历史发展过程中，在岩体内形成具有一定方向、一定规模、一定形态和特征的面、缝、层、带状的地质界面。面是指岩块间刚性接触的，无任何充填的劈理、节理、层面、片理等，是自然界最直观、最易被人们认识的一类结构面;缝是指有充填物，而且充填物有一定厚度的裂缝，如泥化夹层、岩脉等。这类结构面具有清楚的界面，也是人们所熟悉的;层是指岩层中工程性质相对软弱的软弱夹层，如玄武岩中的凝灰岩夹层，灰岩中的泥灰岩夹层，砂岩中的粘土层夹层等，是物质成分和力学性质有明显差异的二种成层岩石在空间上韵律分布形成的。这类结构面野外容易识别，但按传统的观点，人们并不把它视为结构面。可以说，这是一类根据力学属性定义的结构面;带是指具有一定厚度(或宽度)的构造破碎带、接触破碎带、顺层或层间错动带、古风化壳(不整合)和风化槽等。因此，考虑工程稳定性的研究目的，结构面不但包括几何属性和力学属性上的面状构造，还包括在几何上由上、下两个界面所限制，在物质组成上有一定厚度的相对软弱的物质充填，在力学属性上存在明显不连续性的缝、层、带状构造，由于充填于上、下两个界面之间的软弱物质厚度与相邻岩块厚度相比是微不足道的，从宏观上仍可看作是一种面状构造。结构面对岩体稳定性的影响表现在：1、结构面空间方位的影响结构面空间方位对岩石稳定性的影响取决于结构面的产状要素与岩体所在的斜坡的空间几何关系。斜坡有倾向坡外、倾角小于坡角的结构面存在；斜坡被两组或两组以上结构面切割，形成不稳定棱体，其底棱线倾向坡外，且倾角小于斜坡坡角；坡足或坡基存在缓倾的软弱加层均可导致岩体的破坏。结构面方位的表示方法很多，如赤平投影图、玫瑰花图、等角度或等面积散点图、等密度图等。其中，赤平投影图最常见。赤平投影图是将结构面的产状投影到通过参考球体中心的赤道平面上的几何图。它不仅可以分析岩体沿平面的滑动，还可以分析沿楔形体的滑动，比如滑动的单一楔形断面滑体、单滑块和多滑块。 2、结构面几何尺寸的影响结构面集合参数是表征岩体完整性的指标，而完整性的好坏对岩体稳定性影响很大。通常，结构面几何尺寸参数对岩体稳定性的影响通过“岩石刻度”刻画岩体的完整程度，岩石块度有RQD指标表示。RQD也称岩石质量指标，定义为用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分比表示。公式为：RQD与岩石质量的关系如表： RQD/%0-2525-5050-7575-9090-100 岩石质量评价很差差一般好很好3、结构面抗剪强度的影响研究表明，结构面抗剪强度对隧道围岩稳定性影响显著，特别当隧道轴线走向与结构面走向平行或近平行时。影响结构面抗剪强度的因素主要有充填胶结特征、表面粗糙起伏程度、壁岩强度以及结构面贯通性等。(1) 非贯通结构面的抗剪强度对非贯通的结构面而言，沿剪切面所通过的结构面和未贯通的“岩桥”均起抗剪作用，因此，其抗剪强度比贯通结构面高。假定沿整个剪切面上应力均匀分布，则其抗剪强度可表示为:式中，n为连通率;为结构面内聚力;为结构面内摩擦系数;为岩隽的内聚力;为岩块的内摩擦系数。(2) 有充填结构面的抗剪强度有充填结构面的抗剪强度取决于充填物的厚度及其物质组成。孙广忠(1988)通过粘土矿物充填结构面的抗剪强度试验发现，抗剪强度随充填物的厚度增厚而迅速降低，当充填物厚度大于一定值后，结构面的抗剪强度主要取决于充填物的力学性质川。如果充填物为方解石或石英，则结构面抗剪强度会由于“焊接”作用而提高，但岩体会再次遭受破坏（如地震、人类活动等）而形成新的不连续面;方解石或石膏充填的结构面，当它们呈多孔状或鳞片状时，会随着时间而溶解，即结构面抗剪强度会随时间延长而降低甚至消失阁;粘土质充填的结构面，如泥化夹层或夹泥的结构面，由于本身就是一种润滑剂，结构面抗剪强度一般很低。(3) 无充填结构面的抗剪强度无充填、壁岩坚硬的结构面抗剪强度与结构面表面粗糙起伏程度、壁岩强度、残余摩擦角和地应力等因素有关。平直无充填的结构面特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。坚硬岩体中的剪破裂面还发育有镜面、擦痕及应力矿物薄膜等。这类结构面的抗剪强度大致与人工磨制面的摩擦强度接近，即：式中，为结构面的抗剪强度，；为法向应力，；，分别为结构面的摩擦角与粘聚力，。粗糙起伏无充填的结构面这类结构面的基本特点是具有明显的粗糙起伏度，这是影响结构面抗剪强度的一个重要因素。在无填充的情况下，由于起伏度的存在，结构面的剪切破坏机理因法向应力大小不同而异，其抗剪强度也相差较大。当法向应力较小时，在剪切过程中，上盘岩块主要沿结构面而产生上下滑动破坏，产生爬坡效应，增大了结构面的抗剪强度。随着法向应力的增大，剪涨越来越困难。当法向应力达到一定值后，其破坏将有研究规模滑动转化为剪断突起而破坏，引起肯段效应，从而也增大了结构面的抗剪强度。规则锯齿形结构面 在法向应力较小的情况下，上盘在剪应力作用下沿面向上方滑动，当滑移一旦出现，其背斜面即将被拉开，因而不起抗滑作用，法向应力也全部由滑移面承担。设结构面强度服从库伦-纳维尔判据，则结构面的抗剪强度表达式为：当法向应力达到一定值以后，由于上滑运动所需的功达到并超过剪断凸起所需的功，则这时结构面的抗剪强度为：式中，分别为结构面壁岩的内摩擦角和内聚力。不规则起伏结构面自然界岩体中绝大多数结构面的粗糙起伏形态是不规则的，起伏角也不是常数。其强度包络线不是折线，而是曲线形式。巴顿（arton，1973）对种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角（angle of dilatancy）的定义为剪切时剪切位移的轨迹线与水平线的夹角，即：式中，为垂直位移分量；为水平位移分量。Barton 方程：式中，为剪胀角；为壁岩强度；为节理面粗糙度系数。 综上所述，结构面的空间方位、几何参数以及抗剪强度等对岩体稳定构成极其重要的影响。4 岩体稳定性评价 在地下洞室、边坡和地基等岩体开挖工程中，岩体稳定性评价是一项极为重要的内容，其目的就是要通过各种手段和途径，正确认识受力岩体的变形和破坏规律，判定岩体的稳定状况，为工程规划、设计、施工和加固等工作提供科学合理的建议和依据。 目前岩体稳定性评价方法主要有极限平衡法、差分法、有限元、离散元、边界元、块体理论、非连续变形分析和数值流形法等。极限平衡分析是假设岩体在失稳破坏的极限状态下，计算岩体力学性能得到完全发挥时所能达到的稳定性，也是块体理论的思想基础；岩体结构由于结构面的存在而往往表现为非连续性，使用作为连续介质主要分析方法的有限元进行岩体稳定性分析时通常存在较大的局限性；离散元视岩体为离散介质，可以计算岩块沿结构面滑动、转动等大变形直至破坏的全过程，但其和有限元类似，需要预先网格化以及准确的结构面位置等信息，实际工程往往难以完全满足这些条件；非连续变形分析和数值流形方法在大变形、动力学计算等方面具有广阔的发展前景，但由于发展相对较晚，目前应用不多。不同于上述考虑块体应力应变的“数值法”分析，块体理论主要根据结构面的产状等参数直接判断相应岩体的可动性，是“几何法”分析，而且其计算完全是三维的，所得结果又能直接用于工程需求，因此块体理论在岩石力学中很快便得到了广泛的应用，同时块体理论也是非连续变形分析和数值流形方法等非连续介质力学方法发展的基础。4.1经典块体理论概述块体理论最早是由石根华在20世纪70年代提出的。1977年，石根华在中国科学上发表“岩体稳定分析的赤平投影方法”一文，标志着块体理论初步形成，并在随后对块体理论做了严格的数学证明。1985年，石根华与R.E.Goodman共同编著的Block Theory and Its Application to Rock Engineering一书出版，标志着块体理论体系的正式形成。目前，块体理论已成为地下洞室、边坡和坝基等工程岩体稳定分析的一种有效方法，在世界各国和地区得到了广泛的研究和应用。经典块体理论首先假定结构面为平面且贯穿整个研究区域，引出半空间的概念，视块体为几组结构面和临空面半空间的交集，建立块体分类体系，如图1；其次对不同产状的结构面进行平移，建立块体的数学抽象模型锥体，并进一步区分出块体锥、节理锥、开挖锥和空间锥的概念，进而提出块体“有限性定理”（Finiteness Theorem）和块体“可动性定理”（Removability Theorem），设JP为裂隙锥、EP为开挖锥、SP为空间锥、BP为块体锥，则可给出两个定理的简洁表述：有限性定理：JPEP=或BP=且BP=JPEP。可动性定理：JP且JPEP=。 这两个定理已由石根华给予了严格的数学证明，故也称为石氏定理，是块体理论的核心。在此基础上运用全空间赤平投影和矢量计算法可对边坡、隧洞等的可动块体进行快速有效的识别和判断；然后假定刚性块体沿软弱结构面脱离或剪切滑移，在主动力合力的作用下，即可确定相应块体的滑动模式；最后根据结构面的内摩擦角识别出真实的关键块体。经典块体理论为了理论的完备性，假定结构面为无限大的平面，然而在实际工程中岩体结构面往往复杂多样，形状各异，大小不同，位置不定，并且实际上也很难得到结构面的全部信息；经典块体理论关于块体的刚性滑移模型的假定也是对现实世界的高度抽象，实际工程岩体的物理力学特性复杂，往往表现出弹塑性特征，而且块体失稳模式多样，滑移只是最常见的一种失稳形式之一。图4-1 块体分类体系图4.2关键群方法 相对于经典块体理论只研究结构面上独立块体的稳定性，块体系统的整体稳定性更具有现实意义，因为往往单个块体表现出稳定性时而整个块体系统却可能发生失稳或渐进失稳。因此，A.R.Y.Bafghi和T.Verdel在提出“关键群”概念的基础上，充分借鉴了经典块体理论赤平投影和矢量运算，对块体系统进行递归和渐进稳定性分析。他们认为一个关键块体群一定包含至少一个基本关键块体，但此条件并不是充分的，而形成关键群的次块体一定是另外一个关键块体，或与一个或多个独立关键块体有共同阻滑面的块体。块体系统渐进失稳分析的基本思路是：（1）运用矢量运算法对原始块体系统进行稳定性分析，根据分析结果删除所有非稳定块体；（2）根据建群方法，识别潜在关键群，去除非稳定或安全系数最小的关键群；然后根据识别的非稳定关键群对块体系统重新描述；（3）回到第一阶段，并控制块体的失稳模式；（4）继续前一步的迭代，直到没有可组成关键群的块体剩下为止；（5） 在所有情况下，都计算非稳定块体和剩余稳定块体的整体安全系数。如果考虑到块体群分析中参数的不确定性时，则需要引入概率的方法进行研究。4.3分形块体理论岩体结构面表现有分形的特征，可根据分形几何中的分形维数来描述结构面的粗糙度，用能量法建立块体力学分形模型，进而预测和估计结构面的强度和变形。实际计算时，该方法首先根据量测结构面粗糙度平均基长L*和平均高度h*估计结构面的分维，如式（1）所示： （1）其次建立分形维数与结构面粗糙度系数之间的关系（JRC），如式（2）所示： （2）然后根据Barton公式预测结构面的抗剪强度，如式（3）所示： （3）其中，式（1）和式（2）中D是分形维数，式（2）和式（3）中JRC是节理粗糙度系数，式（3）中JCS是节理压缩强度，是有效法向应力，b是摩擦角。最后，在上述计算的基础上综合应用经典块体理论的全空间赤平投影法和矢量运算法以解析的形式进行节理岩体的稳定性计算。4.4弹粘塑性块体理论 弹粘塑性块体理论是针对经典块体理论中只考虑块体的平移和只考虑结构面抗剪强度的基本假定，认为块体由于力矩作用而产生的转动效应和结构面由于应力不均匀分布而表现出的弹粘塑性变形特征以及块体的弹性变形特征不能忽略，在此基础上建立结构面变形与块体位移的几何相容方程、结构面的弹粘塑性本构方程和块体系统的虚功方程，如式（4）（6）所示： （4） （5） （6）其中，Ni 和Nj 分别是块体i和结构面j的位移基函数；ai和ai分别是块体i和结构面j的位移参数向量；Dj是块体i的弹性矩阵；是初应力增量； 是块体i的虚功； 是结构面j的虚功；是外力的虚功；n和m是块体和结构面的总数；K是块体系统的整体刚度矩阵；A是整体位移参数向量；是整体荷载向量。在此基础上即可得到求解块体系统位移的整体平衡方程，如式（7）所示： （7）据此可以对裂隙岩体的应力和稳定性进行分析和评价。4.5非连续变形分析以刚体的平移运动为出发点，将块体理论与岩体的应力、应变分析结合起来，这就是石根华提出的非连续变形分析（Discontinuous Deformation Analysis）。DDA法按最小势能原理建立总体平衡方程式，通过施加或去掉块体界面的刚性弹簧，使得块体单元界面之间不存在嵌入和拉开现象，由此满足位移边界条件。DDA克服了单纯几何分析方法的不足，允许块体本身有变形和位移，具有完备的力学、运动学理论及数值实现、正确的能量耗散和较高的计算效率，块体间有滑动、转动、张开等运动形式，能得到大变形、大位移解，因此，DDA法兼有有限元和离散元法的优点，适合于模拟岩体的非连续大变形力学行为。DDA与有限元法的不同之处是：单界面之间的变形可以是不连续的；单元形状可以是任意的，单元之间的接触不一定要求角点与角点的接触，未知数是所有块体自由度的总和。此外，DDA既可用于求解静力学问题，又可进行动力学分析。DDA法自提出后，作为非连续介质的一个重要的数值分析方法，引起了很多学者的兴趣，就工程应用方面，在坝基稳定、边坡稳定与加固、地下厂房、隧道围岩稳定与支护等方面取得一定的成果，但目前主要停留在二维阶段。5. 结论 一般而言，工程岩体稳定性受地质条件和工程作用力的共同制约。工程作用力与工程的类型、性质和规模直接相关，是通过设计能够了解清楚的；地质条件则是岩体对工程的适应性，包括岩体结构的工程地质特性、块体滑动的几何条件、地应力和水文地质条件等，它们不同程度地受岩体中结构面的分布位置、产状、数目、规模、宽度、充填物特征、结构面力学性质以及不同结构面之间的切割与组合关系等因素控制。不管基础岩石如何坚固，只要岩体中存在不利的结构面构成软弱的地质界面或分割面，岩体就失去了其完整性和连续性，就有可能沿着这些结构面发生变形破坏。许多大规模的自然斜坡的崩落和滑坡、人工边坡、坝基和坝肩岩体的滑移失稳，以及地下开挖工程的坍塌、冒顶、底鼓和侧墙弯折破坏都与岩体结构面的存在有着千丝万缕的联系。因此，结构面的几何学特征和力学特征的研究是工程岩体稳定性评价和加固处理方案确定的基本前提。 从对结构面和结构体的描述角度对它们进行了归纳和比较，对经典块体理论的基本原理及其典型发展进行了综述。岩体的稳定性与多种因素有关，既受内在因素的控制，如岩石块体力学性能、结构面发育状况和力学性能，还受外界条件如环境气候变化、地下水、地震和人类工程活动等的影响，并且内外作用因素随时间而变化，因此岩体稳定是动态变化的。1-35参考文献 1 宋琨，晏鄂川，陈刚. 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