地下工程围岩稳定性分析方法研究进展

地下工程围岩稳定性分析方法研究进展

SeriesNo.320金

February　2003

　　属　　矿　　山

METALMINE

总第320期

2003年第2期

地下工程围岩稳定性分析方法研究进展

许传华　任青文　　　

(河海大学)

3

李　瑞

(马鞍山矿山研究院)

摘　要　对地下工程围岩稳定性分析方法和围岩体的破坏失稳判据作了总结与回顾,并对这一研究的现状与发展趋势作了评述。

关键词　地下工程　围岩稳定性分析　研究进展

AdvancesinResearchingtheStabilitySurroundingRockE)

Rui

MaanshanInstituteofMiningResearch)

AbstractforthestabilityofthesurroundingrockmassesinundergroundengineeringandtheirfailurecreterionsareThecurrentsituationanddevelopmenttrendofthisresearcharereviewed.

Keywords　Undergroundengineering,Stabilityanalysisofsurroundingrockmasses,Advanceofresearch

　　地下工程围岩稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容,而围岩稳定性评价结果的正确与否直接关系到地下工程的成败。当前地下结构工程规模日益巨大,技术问题复杂,表现在地下工程埋深大,体积庞大,地质条件复杂等,如将要兴建的南水北调西线工程主要由深埋长隧道系统构成,隧道总长达260km,其中单段最长65km,埋深一般在500m以上。目前地下工程围岩稳定性评价方法很多,

荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一

定的困难。112　数值分析方法

在围岩稳定性分析中,解析法只能适用于那些边界条件较为简单及介质特性不甚复杂的情况。多数的工程课题在特定条件下只能用数值法求解[4]。

(1)有限元法。有限元法自20世纪70年代提出发展至今,已经相当成熟,是目前最广泛使用的一种数值方法,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题,是地下工程岩体应力应变分析最常用的方法[5～7]。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,可以给出岩体的应力、变形大小和分布,并可近拟地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破坏机制。但有限元在本质上是一种连续介质的数值分析方法,为了模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面,考虑其非连续性,可按结构面的特征采用不同的处理方法[8]。有限元法的应用是否真正有效,主要取决于2个条件:一是对地质变化的准确了解,如岩体深部岩性变化的界限、断层的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等。二

3教育部2002年重点基金项目(02123)。

许传华,河海大学土木工程学院,博士研究生,210098江苏省南京市。

对这些分析方法作一简单的回顾与总结,了解这些分析方法在实际工程问题应用中的优点和不足之处,以便于对分析成果进行正确的判断。1　围岩稳定性的分析方法

根据地下工程围岩稳定性分析的数学模型,可将目前常用的围岩稳定性分析方法分为如下4类。111　解析法

在进行围岩稳定性分析时,经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算,并能得出弹性解析解[1～3]。解析方法多用于圆形隧道的求解。当硐室是非圆形时,就需要通过保角变换将单位圆外域映射到硐室外域,而硐室的映射函数是问题的求解关键。解析法具有精度高,分析速度快和易于进行规律性研究等优点。但解析法分析围岩应力和变形目前多限于深埋地下工程,对于受地表边界和地面

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地下工程围岩稳定性分析方法研究进展

　　　许传华等:地下工程围岩稳定性分析方法研究进展　　　　　　　　　　　　　2003年第2期是对介质物性的深入了解,即岩体的各个组成部分在复杂应力及其变化的作用下的变形特性、强度特性及破坏规律等[4]。

(2)DDA方法。由石根华与Goodman提出的块体系统不连续变形分析(DiscontinuousDeformationAnalysis)是基于岩体介质非连续性发展起来的一种

方法与有限元法相比,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。

(6)边界元法。边界元法将偏微分方程变换成求解对象边界上的积分方程式并将其离散化求解。由于变换成边界上的方程式使问题比解析对象降低了一维,对于一般的线性问题只需进行区域边界的单元分割,所以与有限元相比,具有计算时间短、计算范围大等特点,但边界元法对奇异边界较难处理[19]。

()块体于1987年提,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[20]。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。文[21]根据节理岩体的特性,按弹簧块体理论模拟节理岩体中大型地下硐室开挖与锚杆支护的变形特征。

1.3　不确定性方法

新的数值分析方法[9]。DDA模型建立了一套完整

的块体系统运动学理论,较好地模拟具有非连续面的岩体的运动与变形特性[10]。文[11]利用DDA方法计算了地下岩体开挖的位移性态,并将其与有限元和实际位移监测结果进行了对比。

DDA模型将岩体完全离散化,这与实际岩体的情况不十分相符。将DDA值模型结合起来,如将DDA结合,应该是。

(3)首次提出离散单元DEM(DistinctElementMethod)模型以来,这一方法已在岩土工程问题中得到越来越多的应用。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[12]。离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时,又能计算岩块内部的变形与应力分布。并且,它利用显式时间差分法(动态松弛法)求解动力平衡方程,求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。该法主要用于分析节理岩体及其与锚杆(索)的相互

14]

作用[13、。存在的主要问题是阻尼系数的选取和迭代计算的收敛性。

(4)块体单元法。任青文等提出的块体单元法,是以块体单元的刚体位移为基本未知量,根据它们在外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,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

16]

态[15、。该法特别适用于具有地质结构面岩体的稳定分析,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。

(5)FLAC。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。文[17]提出了基于该方法的分析模型,分析了页岩中水压力对隧硐稳定性的影响。文[18]将这一方法用于巷道锚杆支护的稳定分析。该

影响地下硐室围岩稳定性因素主要为地层岩性及产状、构造结构面组合形态、地应力状态以及地下水的赋存情况等[22],这些因素具有很大的不确定性,表现为随机性和模糊性,因此对地下结构岩体分析可采用模糊数学和可靠度方法进行研究。

可靠性理论自应用于岩土工程以来,在许多领域获得了较大的发展,并被引入地下硐室稳定分析中。文[23～25]分别根据不同的岩石破坏判据建立极限状态方程,采用概率论方法求得地下结构工程的破坏概率,进而分析其稳定可靠性。

地下工程及稳定性的界限是不清楚的,具有相当的模糊性,故可应用模糊数学理论进行研究。该理论现主要应用于地下工程围岩的稳定性分类中,而且日益受到重视。文[26～29]分别采用 …… 此处隐藏：6944字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……