岩体稳定性研究方向文献综述

1岩体稳定性研究方向文献综述长期以来，隧洞围岩稳定性研究一直是工程地质学者研究的重要课题，围岩稳定性评价是地下工程设计、施工以及维护中的一个重要环节。稳定性评价结果的正确是否直接影响着工程的安全性和经济合理性。作为岩体力学研究的重要内容，围岩稳定性评价经历了“经验判断—理论分析—数值计算”的发展过程[1]，,有关方法已在地下工程的建设中发挥了巨大的作用，但同时也对围岩稳定性评价方法，尤其是围岩破坏的判据，提出了更高的要求。因此，探索新的、实用的稳定性评价方法，是生产实践中提出的永恒的研究课题。通过对地下工程围岩稳定性的研究学习，首先介绍目前国内外对围岩稳定性评价方法的研究成果，接着对影响地下隧洞围岩稳定性的因素以及围岩的变形破坏模式进行了阐述，最后结合工程案例采用数值分析的方法对隧洞开挖围岩变形破坏模式进行了分析。1隧洞围岩稳定性分析方法隧洞围岩的稳定性分析主要包括隧洞的整体稳定性分析和局部块体的稳定性分析，分析方法大致可归纳为工程地质类比法、解析法、和模拟试验法等。1.1围岩整体稳定性评价（1）解析法解析法是指采用数学力学的计算取得闭合解的方法[28]，计算围岩中的应力分布状态及位移从而进行围岩稳定性评价[4]。对于规则的圆形断面和均质、各向同性的隧道围岩，解析解较为精确，参数也容易确定；张倬元、王士天、王兰生给出了均质、含有单一（或一组）软弱结构面围岩及顶拱围岩中简单结构块体稳定性的解析分析方法；蔡美峰等得出了特定形状巷道（如轴对称圆形巷道、一般圆巷道、椭圆巷道等）围岩应力状态的解析解。其他形状的洞室可通过复变函数法求取近似解。于学馥、刘怀恒应用复变函数对围岩应力状态及变形进行求解，得出了解析解。运用复变函数进行非圆形洞室分析的前提是获取洞室的映射函数，因此如何求取简单合理的映射函数成为近年来研究的一个热点，钱伯勤推导出单孔无限域应力函数的通式，王润富提出了一种保角映射法并编制了相应的微机程序，范广勤等应用三个绝对收敛级数相乘法求解非圆形洞室的外域映射函数，吕爱钟，提出了应用最优化技术求解任意截面形状巷道映射函数的新方法，朱大勇等提出了一种新的可以求解任意形状洞室映射函数的计算方法，并将其用于复杂形状洞室围岩应力的弹性解析分析[22]。解析方法可以解决的实际工程问题十分有限。但是，通过对解析方法及其结果的分析，往往可以获得一些规律性的认识，这是非常重要和有益的。（2）工程地质类比法（围岩分类法）经验类比法是大型地下洞室群围岩稳定性评价的重要方法之一，尤其在勘测资料较少的可行性研究阶段，更能发挥其作用[8]。其中，围岩分类法简单、明了，从而成为被广泛使用的工程地质类比方法。国外的地下洞室围岩质量评价始于二十世纪，初期出现了普氏岩石分级法，随后，Terzaghi根据阿尔卑斯山公路隧道支护施工的经验，从描述各种岩层的特征入手最早提出隧道围岩分级；随后，Lauffer提出了隧道有效跨度的稳定时间这一概念，主要以毛洞稳定时间为指标进行分级；1969年，Deer提出了RQD分类法，随后RQD成为国内外广泛采用的RMR分类法、Q分类法等综合分类法的基本元素之一，因此得到广泛应用。1973年，Bieniawski基于岩石单轴抗压强度、不连续面间距、RQD、不连续面条件、地下水条件等基本参数对岩体进行分类，提出了更为具体的岩体分类方法RMR法。1974年，Barton等学者在分析研究大量的地下工程开挖实例的基础上，把工程要素与岩石质量指标统一起来，以节理组数、节理粗糙度系数、节理蚀变影响系数等为基本参数，提出了隧道指标方法Q分类法[12]。1979年，国内学者谷德振等提出Z系统分类法；1980年王思敬等人2提出弹性波指标Za分类；1985年长江水利委员会的三峡YZP分类；1988年水电部昆明勘测设计院提出大型水电站地下洞室围岩分类；1990年，王思敬岩体力学性能质量系数Q分类等等[46]。同时，我国交通部，水电部，建设部等部门都先后提出了自己的围岩质量分级体系，具有代表性的有如水电HC分类法、国标BQ分类法等。（3）数值分析方法由于解析方法的局限性，相比之下，数值方法具有较广泛的适用性它不仅能模拟岩体飞复杂力学与机构特性，也可以很方便地分析各种边值问题和施工过程，并对工程进行预测和预报[28]，因此，随着计算机技术的迅猛发展，各种数值计算方法越来越多地被应用到围岩稳定性的分析中，如：有限差分法（FLAC）、有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、离散元法（DEM）、流形元法（MEM）、无单元法（Element-freemethod）、流形分析方法、关键块理论(KBT)、块体单元法、块体-弹簧元分析法等。有限元法（FEM）：有限元法的思想在20世纪40年代就已经形成，该方法发展至今已经相当成熟，基于最小总势能变分原理，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是目前最广泛使用的一种数值方法，是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法[35,36]。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，对以非均质各向异性和非线性为特征的介质有良好的适应性，并具有通用性和灵活性，可以解决各种复杂的边界问题，可以给出岩体的应力、变形大小和分布，并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制[8]。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(FastLagrangionAnalysisofContinuum)数值分析方法。徐平等基于FLAC计算理论的FLAC3D粘弹模型的二次开发并做了尝试。该方法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。它的求解方法虽同离散元法的显式按时步迭代求解，但是结点的位移连续，本质上仍属于求解连续介质范畴的方法[8,4,7]。离散单元法(DistinctElementMethod)是1971[44]年,Cundall以刚性离散单元为基本单元，根据牛顿第二定律首次提出的一种动态分析方法。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。离散单元法计算原理简单，但计算机实施却非常复杂，涉及问题较多，主要有四个问题：动态松弛法、力和位移的计算循环、分格检索及数据结构。离散单元法中块体之间阻尼系数、运算的时间步长等参数的确定带有极大的任意性和盲目性，至今没有确定这些参数时可遵循的原则。当岩体并未被结构面切割成块体的集合时，这类理论就不甚适合[8,28]。边界元法（BEM）又称为边界积分方程法，首先由英国学者Bribbia总结提出，以表述拜特（Betti）互等定理的积分方程为基础[36]，建立了直接法的基本方程，而基于叠加原理建立了间接法的总体方程，从20世纪60年代开始在工程计算中得到应用。边界元法只在求解区域的边界上进行离散(剖分单元)，这样就把考虑问题的维数降低了一维，这也是边界元法的优点，但要求知道所研究问题的基本解。另外，边界元法计算精度高,应力和位移具有同样的精度。但是边界元法对变系数、非线性等问题较难适应，且它的应用是基于所求解的方程有无基本解，因此，限制了边界元法在更广泛领域的应用。而且边界元法对奇异边界较难处理[8,28]。流形方法是由石根华等人近期发展的一种新的数值分析方法[12]。这种方法以拓补学中的拓补流形和微分流形为基础，在分析域内建立可相互重叠、相交的数学覆盖材料全域的物理覆盖，在每一物理覆盖上建立独立的围岩函数（覆盖函数），将所有覆盖商丹独立覆盖函数加权求和，即可得到总体位移函数。然后，根据总势能最小原理，建立可以由于处理包括非连续和连续介质的耦合问题、小变形、大位移、大变形等多种问题的求解格式[14,17]。它是3一种具有一般形式的统一数值分析方法，有限元烦和不连续变形分析（DDA）都可以看作是它的特例[28]。关键块理论(KBT)关键块理论(KeyBlockTheory)[30]是在1985年首先由Goodman教授和石根华博士提出并用于工程稳定性分析。关键块理论的精髓思想是：在坚硬和半坚硬的岩层中，岩体被不同成因、不同时期、不同产状、不同规模的结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。关键块理论就是对个性各异的岩体中具有切割面或结构面这一共性，根据集合拓朴学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体类型，进而将这些块体再从力学上分为稳定块体、潜在关键块体。确定了关键块体后，就可以进行相应的计算。但是，由于岩体中的结构面形态分布把握得不十分准确，而变动性又大，结构面也并不是全部为平面，稍微不准确就会引起严重后果[8]。任青文等提出的块体单元法[7,9]，是以块体单元的刚体位移为基本未知量，根据块体在外力和缝面应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,采用变分原理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。该法可以解决非连续介质问题，特别适用于解决具有众多节理、裂隙岩体的变形、应力和稳定分析。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]。块体-弹簧元分析法：Kawai于提出了采用简化的刚性块体来模拟不连续介质的刚体弹簧元数值模型。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系来建立求解的支配方程，确定缝面的相对位移和应力。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[55]。（4）人工智能方法力学是求解工程问题必要和不可或缺的手段，但是在主、客观两方面，由于隧道围岩岩体工程力学行为及其变形和破坏机理在很大程度上都是随机、模糊的，也就是存在着不确定性，同时由于获取信息与数据方面的限制和不完全、不充分，因此它又是不确知的，力学在解决这些问题也就存在一定得局限性。神经网络、遗传算法等人工智能学科为我们解决这类不确知和不确定的工程问题提供了强有力的理论基础[5]。基于此论基础，国内外很多学者提出了围岩稳定性分析的新方法。其中：胡建华等利用改进的MBP神经网络建立了围岩稳定性的神经网络识别模型来进行围岩稳定性的识别；北方交通大学YYangandQ.Zhang利用BP神经网络建立了一种等级分析方法，发现了影响隧道围岩稳定性的关键因素；冯夏庭、马平波运用知识发现技术中的数据挖掘环节对大量的工程实例数据进行知识发现，找出蕴含于工程实例数据中的内在关系，进而利用这些关系可对类似条件下的围岩稳定性作出合理的判断；安红刚、冯夏庭将遗传进化算法与有限元相结合，对大型洞室围岩稳定性进行最优建模并获得全局最优解[3,32]。此外，其他分析方法还有如：图解分析法、反分析法、物理模拟、不确定性方法、系统工程法等等[3,8,10,37]。1.2局部块体稳定性评价[14]目前为止，最具代表性的局部块体稳定性评价方法和理论主要有:中国科学院地质研究所的块体结构赤平投影分析法、实体比例投影分析法、块体结构的矢量解析法[25,]以及美籍华人石根华博士与Richard.E.Goodman提出的块体理论[21～25]。其中赤平投影法由于只能表示块体空间几何要素之间的方向、角距等的相互关系，因而存在不能确定结构体规模的大小及其具体出露部位等问题；而实体比例投影法作图过于繁琐，对于迅速指导生产实践也具有一定的局限性。相比之下，基于矢量解析的块体理论则得到了较快的发展，已经广泛运用于岩石边坡、地下洞室、坝基坝肩等岩体工程中实践和研究当中[6]。同时这些研究和实践也极大地促进了块体理论的发展，不少学者也对块体理论存在的问题和局限进行了深入探讨和研究，在理论研究和工程应用方面都加以了拓展。42.围岩稳定性影响因素分析在工程设计与施工中,影响地下洞室围岩稳定性的因素很多,为了既经济又安全地修建和使用地下洞室,必须正确掌握影响洞室围岩稳定的因素,从而有效的指导设计和施工。本章主要分析和讨论其中的主要影响因素[19]。2.1地质及地质结构地质构造和岩体结构是影响地下工程岩体稳定性的控制因素