巖體力學(xué)行為多層結(jié)構(gòu)模型研究

李 涵 宓 劍

（1.沈陽歐施盾新材料科技有限公司，遼寧 沈陽 110136；

2.北京黎明航發(fā)動(dòng)力科技有限公司沈陽黎明燃機(jī)分公司，遼寧 沈陽 110043）

巖體與一般介質(zhì)相比，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多裂隙狀態(tài)，巖體結(jié)構(gòu)面起著控制作用，這些裂隙的存在導(dǎo)致巖體具有分均質(zhì)特性。改變其力學(xué)性能，間接影響其滲透特性，更是其弱處所在，巖體更加容易變形，這給巖土的力學(xué)分析帶來相當(dāng)大的難度。

1 巖體力學(xué)分析研究現(xiàn)狀和發(fā)展

如何通過有效的方法描素巖體的力學(xué)特性一直是巖體力學(xué)的重點(diǎn)研究對象。通常我們直接采用模擬和等效連續(xù)介質(zhì)模擬兩種方法。直接模擬巖體節(jié)理和內(nèi)部特性為基礎(chǔ)，對其各種所受應(yīng)力分析。顯然，這種方法可以直觀簡潔的闡述出巖體真實(shí)的形態(tài)。常用的數(shù)值分析方法有有限元法和邊界元法等。在有限元法中，主要是描素節(jié)理特點(diǎn)。邊界元法中常用節(jié)理單元或位移不連續(xù)法，基于有限差分法的快速拉格朗日分析法（FLAC）也可以用于節(jié)理巖體的應(yīng)力分析；對于少量節(jié)理，可用界面單元，而對復(fù)雜密集的節(jié)理巖體則采用遍歷節(jié)理模擬。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、高等數(shù)學(xué)教育、線性代數(shù)及概率試驗(yàn)技術(shù)與測試技術(shù)的發(fā)展，巖石力學(xué)數(shù)值分析將不再簡單的認(rèn)為是一種單一的模式之內(nèi)。國際上巖石力學(xué)上具有嶄新的趨勢。巖石工程對環(huán)境的影響越來越大，使全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)越來越重視。巖石力學(xué)由固體力學(xué)問題向多方向各種力學(xué)性能發(fā)展。

2 巖體的力學(xué)特性及其結(jié)構(gòu)模型

巖體的應(yīng)力主要取決于巖體中的裂隙斷面幾何形態(tài)，但是由于裂縫和天然節(jié)理的復(fù)雜性，節(jié)理縫隙巖體所表現(xiàn)出來的特性是非常困難的。但是，隨著時(shí)間的推移和經(jīng)驗(yàn)的積累加上不懈的努力，很多問題都已經(jīng)有了突破性進(jìn)展。例如，在軟弱巖體地段，各種介質(zhì)都會(huì)被視作是連續(xù)體，都是以彈性理論為核心處理的，但是，對于比較薄的斷層和軟弱的夾層，規(guī)模比較大的節(jié)理就會(huì)以單元模擬的形式來視為客觀的裂縫巖體構(gòu)成的復(fù)雜關(guān)系，這樣就給研究造成了困難。近些年來，很多國外的專家也都專注于節(jié)理裂縫巖體的研究，取得一定的研究成果。節(jié)理巖石模型進(jìn)行了多軸模式實(shí)驗(yàn)，這些研究結(jié)果表明各種力學(xué)特性，尤其在強(qiáng)度上各種力學(xué)性能具有不同的特點(diǎn)模式。對于建立關(guān)系具有一定的意義，雖然一些力學(xué)特性仍很不充分不具有一定的代表意義，但是具有一定的代表作用。巖石力學(xué)測試和計(jì)算在國內(nèi)的發(fā)展取得一定的進(jìn)步和結(jié)果，裂隙巖體的關(guān)系和力學(xué)特性之間的關(guān)系也越來越明顯出現(xiàn)在人們范圍內(nèi)?？蒲腥藛T主要是把巖體抽象模型這種相對復(fù)雜的東西轉(zhuǎn)變?yōu)檩^簡單的模型，這種模擬試驗(yàn)不用在戶外而是在室內(nèi)就可以較好地模擬出來，完成實(shí)驗(yàn)構(gòu)成，并輔以一定的計(jì)算方法，找到之間的規(guī)律性，在規(guī)律上發(fā)現(xiàn)一定的特點(diǎn)。力學(xué)特性試驗(yàn)的測量則需要在室內(nèi)和室外共同進(jìn)行才能真實(shí)地模擬出來好的效果。這些研究僅僅是初步嘗試。針對工程巖體這種大型、復(fù)雜、系統(tǒng)、全面的研究，國內(nèi)外都不多，所以對與我們來說不能淺嘗輒止，而是需要我們不斷探索完成實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

巖體是一種不均勻介質(zhì)。在建筑過程中，我們要需要清楚地了解它們的力學(xué)性能以及各種力學(xué)之間的關(guān)系，是協(xié)作還是互相抗衡。為此通常需要進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，對巖體的力學(xué)性能和計(jì)算數(shù)據(jù)加以處理與檢測，同時(shí)理論與實(shí)際要相結(jié)合，更多的分析計(jì)算是必不可少的。由于裂隙巖體的力學(xué)特性非常復(fù)雜，應(yīng)該說，有關(guān)不連續(xù)巖體的計(jì)算理論知識(shí)還是很欠缺的，因此需要很多假設(shè)以應(yīng)對其不定性。

3 巖體多層結(jié)構(gòu)模型理論

在工程斷裂等情況，不同的巖體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)面中，對影響極其大，設(shè)計(jì)者總是將這個(gè)看作重中之重。一般情況下，結(jié)構(gòu)面數(shù)量較少，需要一些特殊模擬在有限元分析。結(jié)構(gòu)面密集需要用等效連續(xù)介質(zhì)方法模擬，需要考慮其影響。把巖石切成不同層狀，使其具有不同的方向性，層狀節(jié)理更具有向異性。假設(shè)應(yīng)變和應(yīng)力的主軸時(shí)刻處在重合狀態(tài)，即不考慮旋轉(zhuǎn)造成的影響。然而實(shí)際工程中，比如邊坡，由于應(yīng)力主軸由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的塑性變形，因而塑性力學(xué)不能完整的反映出巖體力學(xué)機(jī)制。

非線性本質(zhì)特征是巖體特有的，主要表現(xiàn)在：在變形之后，在整體變形進(jìn)入塑性前，占主導(dǎo)因素的是非線性因素，這就構(gòu)成了系統(tǒng)中出現(xiàn)變形和非線性等復(fù)雜的力學(xué)行為，而巖石力學(xué)和工程都屬于自然化學(xué)工程，在自然情況下規(guī)模大，存在比較復(fù)雜的系統(tǒng)，更是具有原始條件和環(huán)境信息的不確定性。通常，巖體演化過程通常是一個(gè)非線性過程，非平衡態(tài)系統(tǒng)力學(xué)方法無法體現(xiàn)的力學(xué)行為。巖石材料的分布不均勻，巖體內(nèi)應(yīng)力時(shí)刻變化不定，巖石成份更是具有不確定性，巖體工程施工的也帶來了許多的可變因素，使得巖石力學(xué)具有非線性關(guān)系。多數(shù)工程巖土都處于彈塑性狀態(tài)，在工程設(shè)計(jì)上要考慮到巖體彈塑性問題，而且這個(gè)特性起到至關(guān)重要的作用。

結(jié)語

隨著我國社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國對巖體研究、治理越來越重視，其位置也越來越重要。在一些大型工業(yè)等建設(shè)中，經(jīng)常需要開挖一些坡度較高的地方。高邊坡的穩(wěn)定性與高邊坡處理往往是工程難題也是關(guān)鍵的地方，也是確保整個(gè)工程安全及人員安全、財(cái)產(chǎn)安全的部分。

本文在系統(tǒng)學(xué)習(xí)和總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題的特點(diǎn)，對裂隙巖體結(jié)構(gòu)模型處理與研究方法進(jìn)行一定分析。將理論和實(shí)踐相結(jié)合的理念對巖體力學(xué)進(jìn)行更深一層的分析，得出以下結(jié)論：分析了裂隙巖體的變形特性力學(xué)性能變化，塑性力學(xué)原理與重要性，包括各種巖體不同理論和準(zhǔn)則、以及加工原理及其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用問題，并進(jìn)一步揭示巖體發(fā)展的局限性。闡述了裂隙巖體分析的等效連續(xù)模型層結(jié)構(gòu)模型，詳細(xì)推導(dǎo)了層結(jié)構(gòu)模型彈塑性理論。各巖體及巖體模型的計(jì)算問題仍然是學(xué)術(shù)界研究的問題，需指的進(jìn)一步深入研究和大量的實(shí)踐。

[1]黃潤秋，許強(qiáng)，陶連金，等.地質(zhì)災(zāi)害過程模擬和過程控制研究[M].北京：科學(xué)出版社，2002.