洞室围岩稳定分析方法

摘要:地下洞室围岩稳定是阻碍大型水利工程和地下工程发展的大问题,在最近几年随着理论分析的完善和计算机的应用正得到逐步的解决,尽管研究的环境条件有很大的区别,但是理论的基础和数学模型还是比较固定的,本文主要介绍了几种常见理论基础和数学模型,并对洞室围岩应力的计算提出一点想法。

关键词:理想状态;数学模型

中图分类号:TV223文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2010)017(C)-0116-01

引言:随着地下建筑规模的日益扩大,洞室的围岩稳定问题日渐复杂和突出。虽然随着岩石力学理论和测试技术的发展,电子计算机和有限元的推广与应用,在研究岩体的构造和力学特性、地下工程围岩失稳机理和支护结构的受力机理、探讨新的设计理论和方法等方面取得了许多进展,为围岩稳定性评价方法提供更多的选择和改进,但作为地下工程的根本问题之一,围岩稳定性分析,目前并没有形成统一的理论,所以有必要对目前地下洞室稳定分析方法进行总结,了解其优点和不足,有助于在工程实践中做出正确的判断。

一、洞室围岩分类

目前已有的围岩分类大致可分为两种类型,一种是以某一种能反映围岩强度及破碎状态综合情况的定量指标作为分类指标,另一种是综合几方面指标的分类。由于洞室围岩的稳定性除受岩性和岩体的完整程度控制外,还和结构面的抗剪性能、产状及地下水的活动等各种因素有关,因此在工程实践中常用的是多指标的分类方法,其中著名的有Z.T.比尼威斯基提出的节理化岩体地质力学分类(RMR)、N.巴顿等人提出的隧道支护设计用的岩体工程分类(Q)、水利水电工程围岩工程地质分类(Hc)等。

二、影响洞室围岩稳定因素

地下洞室围岩稳定性问题主要是可能出现围岩应力与围岩强度矛盾。因此将影响地下洞室稳定性的因素分为三大类。

第一类因素是通过围岩应力状态而影响地下洞室围岩稳定性的,主要包括岩体的天然应力状态及洞室的剖面形状。其中岩体的天然应力状态既受自然地质因素控制又与人类工程的活动的要求有关,而洞室的形状主要由人类工程活动的要求与特点所决定的。

第二类因素包括围岩的岩性和结构,主要是通过围岩的强度来影响洞室围岩稳定性的。

第三类是既能影响应力状态,又能影响围岩强度的因素。主要是岩体中地下水的赋存、活动条件。地下水的活动是使围岩失稳的一个重要因素。

三、数学模型

根据地下洞室围岩稳定分析的数学模型,大概分为解析法、数值分析法。具体的分析方法有限元法、边界元法、离散单元法、DDA法、FLAG方法。

1、有限元(FEM)法。该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。1966年,布莱克(W.Blake)最先应用FEM解决地下工程岩石力学问题。经过几十年的发展,有限元已经成为一种相当成熟的数值分析技术,可用于求解线弹性、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。

2、边界单元(BEM)法。边界元法BEM又称为边界积分方程法,由英国学者Bribbia总结提出,并从20世纪60年代开始在工程计算中得到应用。该法只在求解区域的边界上进行离散化,把域内未知量化为边界未知量来求解,能使数值计算维数降低一维,这就使自由度数目大大减少。

3、离散单元(DEM)法。离散单元法DEM是一种适用于模拟离散介质的数值方法。自1971年由Cundall提出的以来,这一方法在工程中的应用不断深入。特别适用于节理岩体及其与锚杆(索)的应力分析。离散单元法的一个突出功能是它在反映块体之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时,又能计算块体内部的变形与应力分布。但当岩体并未被结构面切割成块体的集合时,该方法就不甚适合。

4、快速Lagrangian分析(FLAC)法。FLAC首先由Cundall在20世纪80年代提出并将其程序化,实用化。FLAC基本原理类同于离散单元法,但它却能像有限元那样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解。

5、DDA法。不连续变形分析方法DDA是石根华博士首创的。DDA方法是分析不连续变形的一种新的离散型数值计算方法。它兼具了有限元与离散元两种方法的部分优点。此法可以反映岩体连续和不连续的具体部位,考虑了变形的不连续性和时间因素,既可计算静力问题,又可计算动力问题,既可计算破坏前的小位移,也可计算破坏后的大位移。

三、总结与想法

根据目前洞室围岩稳定分析计算中的一些基本理论得出的计算结果和具体的工程实际还有较大的差别,主要原因是由于各个工程所处的地形地质,地层结构,水环境,气候等条件相差较大,不能够得到统一的结论。纵观上述各种分析方法,均没有真正圆满解决工程实际问题,还需要对理论模型的辩识、本构关系、计算参数、仿真方法等作进一步深入具体的研究。我们不能仅仅局限在已有的经验理论公式中,要善于发现问题,联系工程实际,得到最好的结论。

作者单位:河海大学水利水电工程学院水利水电工程专业

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