节理岩体数值计算方法及其应用2.工程应用.PDF

第 24 卷 第 1 期 岩石力学与工程学报 Vol.24 No.1 2005 年 1 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2005 收稿日期收稿日期2003–09–15；修回日期修回日期2004–03–07 作者简介作者简介朱焕春1963–，男，博士，1985 年毕业于河海大学水文地质与工程地质专业，现任教授、Itasca 高级岩石力学专家，主要从事水电和矿 山工程岩石力学及相关课题的技术咨询与研究工作。E–mailpeterzhu。 节理岩体数值计算方法及其应用节理岩体数值计算方法及其应用二二工程应用工程应用 朱焕春 1，2，Andrieux Patrick2，钟辉亚3 1. 武汉大学 水利水电学院，湖北 武汉 430072；2. Itasca 加拿大咨询公司，索德柏立 加拿大； 3. 国家电力公司中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014 摘要摘要叙述了进行岩体工程问题数值分析的一般工作原则、方法和步骤，强调了数值计算对工程实践认识和经验 的依赖性。介绍了合理选择岩体力学参数的经验统计方法，通过实例比较，认为中国水电工程界岩体强度参数取 值可能明显偏低并有可能导致对数值计算结果理解的偏差。通过利用 Itasca 程序应用实例论述了高地应力条件下 研究岩体潜在问题的应力路径法，同时说明了低应力条件下结构面控制问题的模拟方法与实际应用成果。 关键词关键词岩石力学；数值计算；离散元；粒子流；应力；地质结构 中图分类号中图分类号O 242.1；TU 457 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200501–0089–08 NUMERICAL MODELLING S AND APPLICATION IN JOINTED ROCK MASS，，PART 2APPLICATION FOR ENGINEERING PRACTICE ZHU Huan-chun1 ，2，Andrieux Patrick2，ZHONG Hui-ya3 1. School of Water Resources and Hydropower Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China； 2. Itasca Consulting Canada Incorporation，Sudbury P3E1G1，Canada； 3. Central-South Institute of Design and Research for Hydropower Projects，Changsha 410014，China Abstract This paper presents the general outline， approach， and procedure of application for numerical modelling s in rock engineering practices. It is emphasized for numerical analysis to rely on engineering realization and engineering experience when using numerical to solve engineering problems. An empirical approach is consequently introduced to reasonably estimating the mechanical properties of rock mass. It is also pointed out that the rock mass strengths are significantly underestimated in hydropower engineering practices in China when comparing to the corresponding rock mass properties from mining projects in Canada. Such underestimation is likely to lead to a misunderstanding of numerical modelling results. Additionally，the stress path analysis based on numerical simulations is recommended for the study on stress-induced rock mass problems whereas modelling the behaviour of geological structures is suggested when carrying out numerical investigations under low in-situ stress conditions. All suggestions for these two scenarios are illustrated with application cases of the Itasca program into numerical study of corresponding engineering concerns. Key wordsrock mechanics，numerical calculation；distinct element；particle flow；stress；geological structure 1 数值方法使用原则数值方法使用原则 应用现代数值计算方法程序解决岩体工程中实 际问题的途径是多样的，它们既遵循统一的原则和 工作思路，又能根据工程中具体问题的特点和工程 目的需要用最直截了当的方式、在最可能的程度上 解决工程问题。 90 岩石力学与工程学报 2005 年 岩体工程数值计算的第 1 步是要根据岩体工程 地质和工程设计条件，宏观正确判断潜在问题的性 质，确定岩体的潜在破坏类型和控制性因素，选择 合理的数值计算方法程序和制定研究路线。关于硬 岩条件下地下工程中可能出现的围岩破坏方式和相 应的发生条件，作者已经在文[1]中进行了阐述。 数值计算的第 2 步工作是对研究对象进行调 查，最好是现场实地勘察，也可以是和熟悉工程岩 体状态的技术人员交流，目的在于了解岩体性状或 了解在建工程中暴露出的一些问题，以便在数值计 算工作中对有关非确定因素进行校正。在建工程一 般可以为数值计算提供大量的有益信息，最重要的 是工程中已经出现的岩体破坏的性质属应力控制、 结构面控制或综合类型和发生部位。需要注意的 是，尽管目前数值计算技术已经有了长足的发展， 仍需避免直接用工程中可能获得的个别点上一些应 力、位移监测绝对数值作为校正标准，特别是对这 些监测值隐含的内在原因没有深入认识时，更应该 慎重。原因之一是工程实际中明显影响监测值大小 的因素非常多，除正常的数值计算考虑的因素外， 还有测试方法、仪器特性和安装方法、测点附近详 细地质条件以及实际施工进程和方法等一般不在数 值计算模拟范围内的条件。 比如三峡永久船闸 2，3闸室中隔墩南坡一些 部位向北向中隔墩岩体内、与临空面方向相反的 位移问题，它被一些测试方法如监测网和钻孔倾斜 仪所反映，但并没有被安装在坡内的锚杆应力计所 揭示。在开挖过程中，这些部位附近的不断显著增 长的锁口锚杆拉应力表明，岩体的卸荷变形仍然是 指向临空方向，而绝非指向中隔墩内，这是开挖引 起的正常力学响应。而一些测试资料显示的指向中 隔墩内的位移，则与这些监测方法的参考点相关。 与锚杆应力测试方法揭示局部变形情况相对，这些 位移的参考点是全局的，其测值反映了岩体内延伸 较长的大型结构面的变位，其中用钻孔倾斜仪得到 的深度–位移曲线中存在的突变现象，就说明岩体 沿倾向北侧的结构面的变位。简单地说，这一位移 现象是岩体中向北倾斜的结构面导致的向北侧的变 位大于应力释放引起的向南侧的总变形，后者可以 通过反映局部变形的锚杆应力计捕捉到，施工期间 锚索的安装和对岩体完整性的改造作用可以使这一 现象复杂化[2]。对这样一个工程现象，如果不吃透 其本质，数值校正只能通过歪曲计算参数实现。而 目前的数值计算水平，仍难以预测诸如此类的局部 问题。特别应指出的是，像这样一类岩体不连续力 学特性起到重要作用的问题，用基于连续介质力学 理论的计算方法，是不可能获得满意结果的。 数值计算的第 3 步工作是确定计算初始条件。 以岩石静力学问题为例，这些初始条件包括岩体地 质条件和建筑物设计几何条件。其中的几何条件相 对比较确定，岩体地质条件相对复杂，主要包括岩 石性质、岩体结构特征、初始地应力条件和水文地 质条件等。中国水电工程建设中的工程地质勘察工 作做得非常细致，资料的获取也很充分，但利用率 相对不高。如何将岩石类型、性质、岩体结构面等 详细的地质资料，结合相关试验结果，转化成合理 的供数值分析使用的基本条件如岩体物理力学参 数值， 是一个关于岩石力学的工作思想和工作方法 的问题。 数值计算的第 4 步工作是根据具体的研究对 象，充分利用计算程序的特点和功能，最大限度地 直接回答工程中关心的问题。在通常情况下，数值 计算直接提供的结果是位移、 力、 应力和屈服情况， 工程中关心的是会出现什么问题、什么时候、在哪 里出现和如何应对。显然，2 者之间需要有一座桥 梁，这就是数值计算成果的解释。 岩体初始条件分析和成果解释包含很多具体的 技能和经验，很多时候需要根据具体研究对象的 具体特点和要求有重点地开展工作。本文不可能 全部概括这些内容，将侧重介绍一般性的原则和方 法。 2 岩体力学参数取值岩体力学参数取值 岩体参数取值是数值计算中的一个非常重要的 技术环节，在很多情况下，所考察岩体的物理力学 参数值是根据岩石块体的试验值，结合岩体结构条 件获得的。合理确定岩体物理力学参数指标值的目 的在于计算过程中能够充分接近地描述岩体的力学 响应，正确地揭示需要研究的问题，因此，它涉及 到研究对象的性质。 如果研究对象是地表或近地表工程的块体稳定 问题，在坚硬岩石条件下，如果岩石的变形相对结 构面的变形可以忽略，采用一些不连续力学算法时， 块体可以处理成刚体，就没有必要太多地考究块体 的力学参数，重点应该分析结构面的变形和强度特 征。此时，结构面起伏、张开和充填情况就成为修 正结构面强度参数的重要指标，文[3]在这方面做了 第 24 卷 第 1 期 朱焕春等. 节理岩体数值计算方法及其应用二 工程应用 91 大量细致的工作。相对于国际上岩石工程实践中的 岩石力学现场工作特点而言，这项工作在我国，特 别是在水电工程行业的工程地质编录和相关岩石力 学试验中是应该加强的。 当岩石的变形需要考虑时，岩体参数取值就需 要考虑岩石和结构面 2 个方面的综合影响。文[4]提 出的 Geologic Strength IndexGSI系统及其岩体参 数取值方法，体现了将地质条件数据化的思想，其 基本思路是 1 根据岩体完整程度用结构面间距或块体平 均体积量级表示和结构面性状风化充填、起伏粗 糙情况等，计算出岩体 GSI 值； 2 根据岩石试块的室内试验结果和岩体 GSI 值，确定岩体的有关参数指标。 这一方法在不可能进行大量岩体试验的条件下 是非常有用的，尽管是半经验性的，但已经实现了 程序化工作方法，在加拿大的矿山工程界，特别是 一些短开采周期的小型矿山工程岩石力学设计和评 价中普遍应用。图 1 就是根据岩石类型mi 值、岩 体结构面发育程度 GSI 值和岩石单轴抗压强度指标 获得的岩体力学指标值，程序化计算岩体力学指标 的一个演示示例。输出指标包括岩体弹性模量、岩 体粘聚力、岩体内摩擦角以及 Hoek-Brown 强度准 则的岩体强度参数。该方法强调了把地质信息数据 化的基本思想，广泛的工程应用也体现其合理性。 图 1 利用 GSI 岩体分类系统 EXCEL 程序化计算岩体力 学参数指标的一个示例 Fig.1 An example illustrating the programming technique with EXCEL to estimate rock mass properties by using GSI ology 事实上，岩体力学参数取值方法仍受到地区和 行业要求的影响，目前还没有一种世界上通行的方 法。在矿山行业，岩石力学设计通常采用一种极限 设计思想，即允许岩体达到其屈服状态，崩落开采 法则更是利用了岩体的破坏进行矿山开采，这对于 认识岩体到底有多高的承载能力非常有帮助，它直 接提供了岩体破坏的大量工程实例。反过来，在民 用工程设计中，往往需要岩体保留一定的安全度， 很难真正地从土木工程实践中深刻认识到岩体的强 度，但工程设计需要认识到岩体到底保留有多高的 安全度。对比这些行业的岩体参数取值结果，可以 促进正确认识岩体性状和合理解释数值计算结果。 表 1 中列出了中国水电工程和加拿大矿山工程 中进行数值计算时几种相似岩体中参数的取值结 果，其中的 c R′ 是岩体单轴受压条件下的莫尔–库仑 屈服强度。很显然，这两个行业和国家之间岩体参 数取值的最大差别体现在强度指标上。图 2 则以砂 岩为例，详细绘出了这种差别。相比较而言，低围 压下本例中低于 13.8 MPa，中国水电工程界的取 值反映了岩体具有明显偏低的屈服强度，而在高围 压下， 屈服强度要高一些。 在本例中当围压达到 13.8 MPa 时，岩体屈服时的最大主应力可达约 102 MPa， 表表 1 中国水电工程和加拿大矿山工程中几种相似岩体的中国水电工程和加拿大矿山工程中几种相似岩体的 力学参数比较力学参数比较 Table 1 Comparison of mechanical properties of similar rock types both in Chinese hydropower engineering and Canadian mining engineering 岩石名称 E/GPaϕ / c/MPa Rc/MPa Rt/MPa R′c /MPa 粗粒花岗岩 1 30.00.22 47.7 1.80 120 0.009.3 细粒花岗岩 1 45.00.22 52.4 1.25 175 0.007.3 砂岩 1 20.00.28 50.2 1.10 90 0.006.1 砂岩 2 23.70.27 41.0 8.30 160 4.1536.4 安山岩 2 40.10.20 42.0 9.90 130 4.4544.4 角砾状流纹岩 226.00.20 33.0 6.70 131 3.3524.7 注1 表示中国水电工程；2 表示加拿大矿山工程；Rc，Rt分别为岩石单 轴抗压、抗拉强度。 图 2 岩体抗剪强度莫尔–库仑图解以表 1 中的砂岩为例 Fig.2 Sketch of Mohr–Coulomb shear strength of sandstone shown in Table 1 92 岩石力学与工程学报 2005 年 水电工程中是很难遇到这类高应力问题的。并且， 即便在高应力问题地区，岩体的屈服和破坏通常发 生在低围压条件下。如果假设加拿大矿山工程的参 数值没有高估岩体强度，那么，中国水电工程的岩 体参数取值则低估了岩体强度。 低估岩体强度参数的结果是使得计算结果高估 了屈服区范围，由此制定的加固设计会存在两个方 面的问题首先是加固方法设计可能失策，即可能 针对的是应力型破坏而不是实际可能存在的结构面 控制型破坏；其次是加固深度和范围可能脱离实际 需要。 需要说明的是，GSI 系统是针对地下工程提出 的。正如前面所述，当岩石变形相对于结构面变形 不能忽视时，需要重点考察岩体力学性质。这也就 是说，GSI 系统的最佳应用条件对应于较高的岩体 应力水平。 高地应力条件下岩体工程面临着应力控制型破 坏问题，岩体在应力达到极限强度以后存在应变软 化现象，脆性岩体破坏后的强度参数会比破坏前低 很多。岩体破坏后强度参数的确定显然会更加困难， 伺服试验也很难获得岩体，而不是岩石破坏后的强 度参数。离子流数值计算方法用来研究包括岩体在 内的介质材料的应力–应变关系在近年来已经取得 了长足的进展，其基本思想就是设计一个类似于物 理试验的数值试验，通过不断调整介质基本离子间 的参数，使模拟介质如岩体与实际介质一些基本 参数如弹性模量、 抗压强度、 屈服前的抗剪强度等 的指标值充分接近，获得能够代表实际介质的数值 介质模型，对该模型进行的一系列伺服试验可以获 得多种条件下的应力–应变关系曲线，图 3 给出了 一个示例。 图 3 岩体数值伺服试验获得的应力–应变全过程曲线 Fig.3 Complete stress–strain curve of rock mass obtained from a numerical servomechanism experiment 3 应力控制型潜在问题的数值计算 与成果解释 应力控制型潜在问题的数值计算 与成果解释 文[1]中叙述了潜在应力控制型问题的发生条 件，它可以帮助我们在开始数值模拟研究之前，对 潜在问题的性质和程度有一个初步的判断，从而确 定正确的研究方案和选择合适的计算方法程序。 通常情况下，潜在应力控制型问题中应力水平 相对较高，引起的岩石变形不可忽视；结构面，特 别是小规模结构面与节理的作用退居次要地位，大 型结构面的不连续性的影响可能依然需要重视。 相应 地，在制定研究路线时，受小型结构面切割的大面 积块体可以处理成连续介质，岩体不连续性可以通 过对大型结构面如断层的不连续变形特性如张开、 滑移的模拟体现。 如果所研究的问题中不存在这些 大型的结构面时，建立在连续介质力学理论基础上 的计算方法如有限元法可以用来求解这类问题。但 是， 如果在高应力水平下岩体中小型结构面很发育， 破碎程度高，或者岩体完整但岩石相对软弱，潜在 问题很可能是一个应力控制下的大变形和进一步发 展成累进式的破坏如不断的坍塌，连续介质力学 方法解决这类问题的有效性就会受到影响。 高地应力条件下的地下工程开挖常常会导致岩 体的应力控制型破坏，但并不是一定会引起岩体整 体的剧烈形式的破坏。利用数值计算结果分析岩体 可能发生的破坏趋势和潜在破坏类型，对工程中是 否并如何进行岩体加固，具有十分重要的指导意 义。 对在不同开挖阶段下某个给定部位的岩体应力 变化路径的分析，可以帮助确定岩体的潜在破坏可 能性和潜在破坏方式。图 4 是根据一个工程实例总 结得出的该工程中岩体应力路径变化趋势与岩体破 坏可能性和破坏类型之间的一般关系。注意在地下 工程开挖中，最小主应力的降低一般具有普遍性。 在图 4 中，如果最小主应力只是稍略降低而最大主 应力显著集中，在应力路径上表现为应力以高应力 水平或大角度直接向破坏包络线逼近，岩体出现潜 在的非常剧烈形式的破坏，即图 4 中所表示的岩爆 型破坏；反之，在初始高应力水平下，如果在最小 主应力显著降低的同时，最大主应力也降低，应力 路径以小交角向破坏包络线方向发展，岩体潜在破 坏形式相对缓和，并有可能转化为开挖以后的低应 力条件下的结构面控制、重力驱动型破坏。 σ330 MPa 弹性阶段 应变软化阶段 非线性屈服阶段 0.0 1.02.0 3.0 4.0 5.0 轴向应变/10 －3 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 6.0 轴向应力/ MPa 240 220 200 260 第 24 卷 第 1 期 朱焕春等. 节理岩体数值计算方法及其应用二 工程应用 93 图 4 岩体应力状态与岩体潜在破坏特征的一般关系 Fig.4 General relationship between stress state and potential failure for rock mass 图 5 表示加拿大某矿山工程中一个交通隧道顶 部岩体在不同开采阶段应力路径变化的数值监测成 果曲线，它描述了各开采步骤下该部位岩体应力状 态的变化特征。这个问题的背景是埋深 1 100 m 左右，岩体坚硬，完整性良好。其中需要解决的问 题之一是在目前的开采过程中，井下一条旧交通 隧道顶部出现岩体松动破坏迹象，要求了解这种破 坏的内在性质，并预测按目前的开采条件该部位岩 体的安全情况和今后的发展趋势。 图 5 加拿大某矿山工程一个关键部位的应力变化数值 监测曲线 Fig.5 Numerically monitored stress variation at key region of a mine in Canada 数值计算的设计阶段突出考虑了对该部位的研 究，计算采用了 Itasca 的 FLAC3D程序，利用其用 户接口功能，计算开始前即在该部位设置了一个数 值监测点，监测计算迭代过程中岩体应力的变化。 图 5 显示的过去、目前、和未来开采阶段下的应力 变化曲线，该曲线具有以下特点 1 该部位的最大初始主应力较高，达 50 MPa 以上，历史上的矿山开采对该部位的应力状态影响 不大。 2 前期的开采使得该部位岩体经历了一个显 著的应力释放过程，最大和最小主应力均显著降低， 分别降低到 20 余兆帕和不足 10 MPa 的水平，岩体 没有出现屈服现象， 并始终保持良好的安全性与强 度包络线保持一定的距离。 3 目前的开采急剧解除了岩体的围压最小主 应力急剧降低，与此同时，最大主应力略有增大。 这种应力变化路径促使岩体比较迅速地朝破坏方向 发展，总体而言，使得岩体出现潜在的低围压水平 下的形式缓和的破坏。因此可以判断，目前出现的 岩体破坏迹象，不会是高应力条件下剧烈形式的破 坏，也没有揭示是历史上岩体经历高应力后产生软 化作用的响应，而主要是一种直接的应力释放后的 低应力条件的破坏。因此，岩体中结构面的作用， 会比预计的要突出，这是加固设计中需要考虑的主 要因素。 4 以后的开挖会使岩体应力状态在一个比较 小的区域内变化，但岩体基本处于一种破坏应力状 态，缺乏自稳条件，要保证该部位的施工安全，必 须加固岩体。 以上的应用实例显示了连续介质力学数值方法 程序在求解这类取决于应力变化特征问题时的实用 性。显然，既然研究已经证实这是一个高初始应力 条件下的低应力问题，在低应力条件下，岩体节理 等结构面的作用就会突出起来，因此，进一步的研 究工作就不宜再使用连续介质力学数值方法。 上述的算例表明，计算成果的解释不是简单的 对计算成果的处理，它应该融入计算方案制定和计 算方法的选择上，下面的实例应用就说明了在计算 方法选择方面的考虑。 问题的对象是倾斜层状矿山开采，埋深 800 m 左右，层状矿体破碎。其下伏岩层完整性良好，但 上覆岩层完整性较差。由于矿体破碎，岩体强度低， 深埋条件下开采时容易发生破坏，具备崩落开采条 件。但随之而来的问题是，矿体崩落开采坍落拱的 稳定高度如何及其可能影响上覆岩体的坍塌程度。 解决这个问题的可选方法之一是连续介质力学 解，深埋条件下破碎岩体的力学行为可以用连续介 质力学方法描述，但必须考虑岩体的应变软化效应， 岩体的破坏范围可以用岩体屈服区的分布表示之， 或者利用大变形解的变形场来分析。但是，在描述 94 岩石力学与工程学报 2005 年 岩体破坏发展过程，特别是破坏后分离母体的运动 问题时，粒子流方法会更合适一些，同时，成果会 更直观。 图 6 表示对该问题进行粒子流方法数值模拟的 计算结果，图 6a是计算过程中裂纹数目发展的数 值监测记录成果，可以用来判断岩体的自稳状态； 图 6b反映了几何形态和应力变化，其中，中间带 条纹部分为矿体，条纹系作者添加，以便于在视觉 上感受破坏发展过程。显然，第 1 个和第 2 个排矿 斗开挖以后岩体都可以趋于自稳，第 3 个排矿斗开 挖以后裂纹发展呈一种不收敛的发展态势。在图 6a 右下侧所示的粒子岩块接触面荷载分布图中， 第 1 个和第 2 个排矿斗开挖以后形成了稳定的应力拱， 第 3 个排矿斗开挖以后引起了矿体的崩落破坏， 但在 3 个排矿斗中顶拱的破坏程度不等，主要是沿第 1 个排矿斗顶拱的连续破坏。 a 粒子流方法数值模拟的计算结果 b 开采区形态和岩体应力变化过程 图 6 矿山崩落开采过程中岩体内裂纹发展 Fig.6 Fracture propagation resulting from top caving 目前，国际上利用粒子流方法解决工程实际问 题的应用实例还不多，它在研究水电工程涉及的地 下工程软弱或破碎带围岩破坏、重力坝坝体材料物 理力学特性和坝体稳定等问题中具有其他数值方法 无法比拟的优势。 4 结构面控制型破坏条件下的数值 计算与成果解释 结构面控制型破坏条件下的数值 计算与成果解释 所谓的结构面控制型破坏与上述应力控制型破 坏不同的是，岩体的结构面起到主要控制性作用， 应力的作用相对地退居次席。在很多情况下，特别 是大规模的岩体开挖，这种破坏往往发生在应力释 放后的低应力区域。 结构面控制型问题计算中首先遇到的一个问题 是计算方法和计算程序的选择。显然，对这类问题 的计算分析要求正确模拟岩体结构面的力学和工程 行为，典型的情况有结构面可以滑动和张开，块体 可以发生转动等。常用的连续介质力学方法如有 限元法显然不能满足这类问题研究的需要， 建立在 不连续介质力学基础上的离散元方法和块体不连续 分析方法等就成为解决这类问题的有效手段。 以 Itasca 公司的 UDEC 和 3DEC 为代表的离散 元方法程序，在应用于解决工程实际问题时对节理 岩体可以有 3 种不同的处理方法第 1 种方法是把 结构面切割的块体处理成刚体，变形和破坏沿结构 面发生；第 2 种方法是块体可以是变形体，结构面 同时可以发生不连续的变形和破坏；第 3 种方法是 结构面可以粘合起来，岩体为连续体，即退化后的 连续介质力学解法。这 3 种方法适用于不同的工程 目的和条件，第 1 种方法主要应用于研究岩石相对 坚硬、 地应力水平不高的条件下考察结构面的作用； 第 2 种方法对岩体力学行为的模拟比较逼真，但难 度较大，一般适用于研究少数大型控制性结构面的 工程响应；第 3 种方法一般只应用于高应力条件下 的情形，不在本节的讨论之列。 水电工程地下厂房的埋深一般不大，大多在 400 m 范围以内，且多选择在岩体条件相对较优越 中等和中等坚硬以上岩石、结构面相对不发育的 地区。大量的工程实践已经表明，这种条件下结构 面控制下的块体稳定具有普遍意义。这就要求相关 问题的研究中注重对岩体结构面力学行为的正确模 拟；相反地，不连续力学介质有限元解很难正确反 映岩体的破坏性质和方式，在成果应用上，可能误 导加固设计原则。 图 7 所示是一个地下厂房洞室群的整体三维离 散元计算模型和成果，因为考查的问题主要是夹层 和 3 组优势节理对围岩稳定的影响，岩石坚硬，其 第 24 卷 第 1 期 朱焕春等. 节理岩体数值计算方法及其应用二 工程应用 95 变形相对于结构面变形可以忽略不计，计算中采用 了 3DEC 的第 1 种解法。其中的 3 组优势结构面按 实际节理地质编录结果的统计分布直接在模型中生 成，本项研究是在三维节理网络模拟结果上直接进 行的数值计算。 a 结构形态 b 围岩三维节理网络 c 不稳定块体形态与分布 图 7 某水电站地下厂房 3DEC 模型的结构形态、节理 网络与计算结果揭示的不稳定块体分布 Fig.7 Geometry，random joints，and unstable rock blocks in a 3DEC model built for the underground powerhouses of a hydropower station 计算结果中显示的不稳定块体形态与分布表现 出与结构面分布特征和岩体中二次围岩应力场有密 切关系。首先，夹层对不稳定块体的总体分布具有 控制性意义，不稳定块体多沿夹层分布；其次，对 具体的块体而言，其形态受到具体工程部位节理组 合形态特征的影响，比如，在顶拱不稳定块体规模 一般较小，而在边墙则呈尖棱状；最后，在边墙中 部、特别是与其他结构相连接地段，开挖应力释放 最突出，应力水平最低，不稳定块体也最多。计算 结果揭示的二次应力场分布中应力释放低应力区 与不稳定块体分布的特征具有普遍意义。 图 8 所讨论的是近北极的一个多年冷冻岩体中 地下采矿工程实例，研究区域最大初始主应力约 a 平切面应力分布 b 不稳定块体分布 c 位移分布图 图 8 3DEC 混合算法中的应力、不连续变形以及离散算 法所揭示的一致性结果 Fig.8 Stress distribution and discontinuous movement by a combined 3DEC model and the similar result by a completely discrete model 地表矿坑 地下采场 断层 脱空现象 夹层 夹层 全部开挖结束 采空区 断层附近的应力强烈松弛 破坏后的脱空区 断层 断层地表矿坑马道 节理不稳定块体 地下采场 96 岩石力学与工程学报 2005 年 为 16 MPa，岩体整体强度不高。由于结构面处于冰 冻状态，具备一定的强度，岩体的变形特征相对于 结构面而言不应该完全忽视。工程中关心的问题之 一是，处于冰冻条件下的矿体上覆岩体中的一条断 层，在开采过程中温度有所升高的条件下，会不会 导致岩体的大范围破坏。 在研究该问题时首先采用3DEC的第2种方法， 着重研究断层稳定性。在模型中该断层可以发生不 连续变形，其他岩体则处理为连续介质。研究结果 表明，在该断层可能取得的强度范围内，矿山开 挖以后该断层下盘岩体的稳定性不能得到保证。 图 8a是计算结果的平切面应力矢量分布图，此时 的中间矿柱尚未开挖，计算结果清楚地显示了断层 下盘岩体脱离了母体，出现了大范围的坍塌破坏。 并且，断层周边岩体中的应力松弛现象非常突出。 与此同时，3DEC 的第 1 种方法也用以研究围 岩受节理切割形成的块体稳定特征，图 8b以三维 视图方式表示了节理岩体模型和全部开采完成以后 的不稳定块体分布情况，除受断层的影响以外，地 下采空区上覆岩体中的块体破坏现象也比较突出。 该部位的典型特点是节理密度较大且应力水平较 低应力释放突出。图 8c是一个位移分布剖面视 图，主要揭示断层切割块体的不连续位移显著，坍 塌破坏特征清晰可见。 5 结结 语语 数值计算的合理应用已经成为岩石力学研究的 一个实际问题，在北美的矿山行业，Itasca 职业咨 询专家采用 Itasca 的系列软件进行了大量的岩石力 学数值计算分析，其计算成果都直接用来指导矿山 设计和矿山开采实践。显然，这是经过大量工程实 践检验以后的一种自然结果。其中的原因，除了软 件本身的先进性和灵活性以外，应用环节也是一个 重要因素。 数值计算用以解决工程问题决非输入一些数据 获得一些结果的数字过程，它对计算人员的岩石力 学知识水平、岩体工程实践经验以及数值计算驾驭 能力 3 个方面同时具备较高的要求，特别对计算人 员的工程实践经验有较高要求。 具体来说，任何一项数值计算研究都必须制订 合理可行的计算研究方案，这就需要研究者首先对 潜在问题的性质和特征有一个基本估计，选择合理 的计算程序，然后根据问题的特点和程序的功能， 制订实现目的的具体研究方法和过程，尽可能地以 最直接的方式回答工程问题。 本文所述内容，并不是数值计算应用环节的具 体技巧， 主要是不同岩体问题分析时数值计算方法选 择、研究方案制订以及成果应用环节中的主要问题。 但要正确、直接回答工程问题，必须正确合理地使 用相应的数值计算技巧，这在很大程度上依赖于数 值计算人员的素质。即便是功能强大的 Itasca 岩土 体工程专用计算软件，也只是给程序使用者提供发 挥自己才能的平台和选择余地。所以说，在大力发 展数值计算技术的同时，加强数值计算应用环节的 工作，已显得非常重要。 就本文所述的实例，不论是高应力型问题还是 低应力下的结构面控制型问题，注意应力状态和结 构面两个方面的因素始终是正确的。自然界中没有 绝对的应力问题和绝对的结构面问题，只是二者所 起作用在程度上的差别。 然而，高应力和低应力条件下岩体相对的破坏 特征和相应的分析方法还是显著不同的。高应力条 件下，注意岩体应力路径的分析和岩体应力状态与 承载力之间的关系，是很有针对性的分析对策。相 反地，低应力条件下，对结构面网络几何和力学特 征的正确模拟显得非常重要，上述实例已经揭示了 结构面密度对块体稳定的实际意义。因此，计算分 析中对节理网络几何特征的大量简化模拟，可能导 致计算结果的显著偏差。 从另一方面讲，地下工程的大规模开挖，不论 是在低的还是高的初始应力条件，最终都是以应力 释放为主导的。因此，低应力条件下的结构面控制 型破坏问题，一般更具有普遍性。相应地，数值计 算的不连续解法具有更广泛的适用范围。 参考文献参考文献References [1] 朱焕春，Brummer Richard，Andrieux Patrick. 节理岩体数值计算方 法及其应用一方法与讨论[J]. 岩石力学与工程学报，2004， 23203 444–3 449.Zhu Huanchun，Brummer Richard，Andrieux Patrick. 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