塊體理論的研究發(fā)展方向*

鄭　龍，馬紫娟，王文麗

（中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州730000）

塊體理論的研究發(fā)展方向*

鄭龍，馬紫娟，王文麗

（中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州730000）

塊體理論是近年來逐步發(fā)展和完善起來的一種巖石工程穩(wěn)定性分析方法，由石根華和R.E.Goodman于上世紀(jì)80年代共同創(chuàng)立。塊體理論自創(chuàng)立至今已取得較為豐碩的成果，從水壩庫區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析，到小型硐室的圍巖穩(wěn)定型分析，其涉足的范圍已遍及水電站、礦山及巖石邊坡穩(wěn)定分析等各個(gè)領(lǐng)域。但由于最初的假設(shè)所帶來的先天不足，其在塊體轉(zhuǎn)動(dòng)、塊體復(fù)雜受力情況、塊體有限性研究、塊體理論與其他相關(guān)學(xué)科的交叉結(jié)合、塊體群相關(guān)研究、相關(guān)軟件編制等方面的問題仍函待解決。

巖體；塊體理論；研究方向

1　概述

巖體是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史發(fā)展過程中形成的一種古老而極為復(fù)雜的天然地質(zhì)體，在各種地質(zhì)作用及長(zhǎng)期的地應(yīng)力作用下，其內(nèi)形成的具有一定方向、一定規(guī)模、一定形態(tài)和特性、力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較低的面、縫隙以及帶狀的地質(zhì)界面，如巖層層面、片理、節(jié)理、軟弱夾層、裂隙，以及斷層破碎帶，統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面。因此，從宏觀上講，巖體為由結(jié)構(gòu)面和被結(jié)構(gòu)面切割形成的塊體組合而成的集合體［1］。由于結(jié)構(gòu)面的存在及巖石強(qiáng)度的原因，地下工程開挖以后，巖體在地應(yīng)力、水壓等荷載的作用下發(fā)生變化，從而危及地下結(jié)構(gòu)安全。為確保地下結(jié)構(gòu)的施工及使用安全，分析巖體穩(wěn)定性乃重中之重。

目前，分析巖體穩(wěn)定性主要有兩個(gè)思路，一個(gè)是將巖體作為連續(xù)介質(zhì)，以彈塑性力學(xué)作為主要基礎(chǔ)進(jìn)行研究，另一個(gè)則是將巖體看作非連續(xù)介質(zhì)進(jìn)行研究。前者以深入了解巖體本構(gòu)為前提，引進(jìn)了有限元、邊界元等解題手段，在分析復(fù)雜的巖石工程應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)等方面取得了重大進(jìn)展，解決了許多工程實(shí)際問題。但為了更好的研究地下工程周圍出現(xiàn)的巖石冒落、邊坡滑動(dòng)和巖層移動(dòng)等課題，必須充分考慮巖體的非連續(xù)性［2］。此類方法主要有離散單元法、塊體理論等，其中塊體理論以其分析過程簡(jiǎn)便快捷得到廣泛應(yīng)用。

2　塊體理論的研究現(xiàn)狀

2.1塊體理論理論研究的發(fā)展

1985年，石根華與R.E.Goodman出版了《Block Theory and Its Application to Rock Engineering》一書，標(biāo)志塊體理論的創(chuàng)立。石根華最初創(chuàng)立的塊體理論（為以示區(qū)別，后面稱傳統(tǒng)塊體理論）主要基于以下四種假設(shè)展開研究［3］：（1）結(jié)構(gòu)面為無限大的平面；（2）結(jié)構(gòu)面貫穿研究的巖體，即不考慮巖石塊體本身的強(qiáng)度破壞；（3）結(jié)構(gòu)體為剛體，不考慮塊體的自身變形和結(jié)構(gòu)面的壓縮變形；（4）巖體失穩(wěn)是巖體在各種荷載作用下，沿著結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生剪切滑移。

傳統(tǒng)塊體理論很好的結(jié)合了幾何拓?fù)鋵W(xué)和巖體工程穩(wěn)定性分析，為工程指導(dǎo)提供了一種全新的方法和分析思想，但從假設(shè)中可以看出，該理論只考慮了塊體的滑移破壞，沒有考慮塊體的轉(zhuǎn)動(dòng)破壞，同時(shí)將結(jié)構(gòu)面假想成無限大的平面，致使計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)實(shí)有偏差，另外采用的分析方法-全空間赤平投影法，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，利用程序分析工程問題，已然成為一種趨勢(shì)，全空間赤平投影法不利于程序的編制的缺點(diǎn)也逐漸凸顯出來。針對(duì)以上問題，其他塊體理論研究人員從分析方法、塊體轉(zhuǎn)動(dòng)、結(jié)合其他理論考慮塊體自身變形等不同角度對(duì)傳統(tǒng)塊體理論進(jìn)行了完善、補(bǔ)充。

傳統(tǒng)塊體理論有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，也有許多局限性。為了使塊體理論更真實(shí)更方便用于工程實(shí)際，國內(nèi)外許多學(xué)者將其他方法與塊體理論進(jìn)行結(jié)合，以期揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮各自所長(zhǎng)。目前塊體理論與其他方法的結(jié)合主要有與概率論之間的結(jié)合，與有限元等數(shù)值方法的結(jié)合以及與分形理論的結(jié)合等。

2.2塊體理論的工程應(yīng)用

1988年，劉錦華［4］為工程實(shí)踐提供了理論依據(jù)，正式將塊體理論引入我國。自此，塊體理論以其鮮明的特點(diǎn)在各項(xiàng)工程中得到廣泛應(yīng)用。1989年，李愛兵［5］應(yīng)用于銅錄山邊坡穩(wěn)定性分析中；1991年，傅鶴林等［6］用于分析某礦卷揚(yáng)機(jī)硐室圍巖穩(wěn)定性；1997年，臧士勇［7］運(yùn)用于地下礦山采場(chǎng)巷道的穩(wěn)定性分析中，這在當(dāng)時(shí)是一種新的嘗試；2001年，黃正加［8］應(yīng)用塊體理論對(duì)三峽地下廠房圍巖裂隙隨機(jī)塊體及大型斷層定位塊體和三峽船閘高邊坡塊體進(jìn)行分析，并對(duì)加固后塊體的穩(wěn)定性進(jìn)行研究；2004年，巨能攀［9］應(yīng)用于某水電站的地下硐室，為地下硐室的系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度的確定提供了理論依據(jù)；2005年，毛海和［10］運(yùn)用塊體理論赤平解析法分析龍灘水電站地下廠房硐室群的穩(wěn)定性，得出廠房各部分可動(dòng)塊體分布的直觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為設(shè)計(jì)有效的加固方案提供了依據(jù)；2006年，劉阜羊［11］等對(duì)塊體理論運(yùn)用到硐室圍巖穩(wěn)定分析中進(jìn)行了研究；2006年，鄔愛清等［12］利用DDA對(duì)三峽千將坪滑坡的啟動(dòng)條件和滑坡全過程特征進(jìn)行數(shù)值模擬；2007年，廖國燕［13］等人將將塊體理論應(yīng)用到金屬礦山關(guān)鍵塊體的辨識(shí)，用來解決金屬礦礦體覆巖破壞與移動(dòng)規(guī)律，為保證采空區(qū)的穩(wěn)定性和控制地表塌陷提供了重要的理論依據(jù)。

由此可以看出，塊體理論目前已應(yīng)用相當(dāng)廣泛，其涉足的范圍已遍及水電站、礦山及巖石邊坡穩(wěn)定分析等各個(gè)領(lǐng)域。

2.3塊體理論的發(fā)展方向

雖然塊體理論自創(chuàng)立至今已取得較為豐碩的成果，但由于傳統(tǒng)塊體理論最初的假設(shè)所帶來的先天不足，其在塊體轉(zhuǎn)動(dòng)、塊體有限性研究、相關(guān)軟件編制等方面的問題仍函待解決。具體來說，塊體理論未來的發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

1）塊體轉(zhuǎn)動(dòng)的研究。在傳統(tǒng)塊體理論的研究中，在計(jì)算塊體所受合力時(shí)，假設(shè)塊體失穩(wěn)形式不考慮塊體轉(zhuǎn)動(dòng)，僅考慮塊體滑移，但工程上塊體轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的事故常有發(fā)生。劉志斌和張菊明等從力學(xué)的角度曾對(duì)該問題進(jìn)行分析，但是由于現(xiàn)場(chǎng)塊體受力的復(fù)雜性及各力作用點(diǎn)的不明確，塊體轉(zhuǎn)動(dòng)研究成果在實(shí)際應(yīng)用方面至今還沒有得到很好解決；

2）塊體復(fù)雜受力情況的研究。在以往的研究里，往往假設(shè)塊體僅受自重作用，期間也有人對(duì)塊體在自重和地下水共同作用或地應(yīng)力作用下進(jìn)行研究，但這些研究基本都建立在簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行，與實(shí)際情況相差較遠(yuǎn)，從而造成了分析結(jié)果與實(shí)際情況的差異較大；

3）有限塊體的研究。傳統(tǒng)塊體理論假設(shè)結(jié)構(gòu)面是空間無限大的平面，實(shí)際情況下結(jié)構(gòu)面出露的跡線長(zhǎng)度是有限的，理論分析出來的可動(dòng)塊體或關(guān)鍵塊體在實(shí)際中并不存在。另一方面，研究有限結(jié)構(gòu)面形成的有限塊體勢(shì)必又帶來塊體形態(tài)分析的問題。在結(jié)構(gòu)面為無限大的假設(shè)前提下，所形成的可動(dòng)塊體和關(guān)鍵塊體都是凸塊體，當(dāng)結(jié)構(gòu)面為有限時(shí)，塊體則出現(xiàn)多種凹?jí)K體形態(tài)，原來所使用的矢量分析法則不再適用；

4）塊體理論與其他理論的結(jié)合。學(xué)科與學(xué)科間的交叉，理論與理論間的融合是科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在過去的二十幾年里，國內(nèi)外學(xué)者已在這方面做了相當(dāng)多的工作，其中最多的是塊體理論與概率論之間的結(jié)合，用于分析關(guān)鍵塊體的空間位置概率分布，塊體大小概率分布等。另外，還有塊體理論與蒙特卡洛法、有限元、分形等的結(jié)合。這種與其他理論間的結(jié)合，從不同角度彌補(bǔ)了塊體理論的不足，使問題分析結(jié)果更接近實(shí)際。

5）塊體群的研究。傳統(tǒng)塊體理論重點(diǎn)研究單個(gè)塊體在特定受力情況下的滑移失穩(wěn)形式，沒有塊體與塊體之間的相互影響。如圖1所示，塊體①為關(guān)鍵塊體，該塊體滑落后，塊體②為穩(wěn)定塊體，然塊體1滑落后會(huì)引起塊體②的失穩(wěn)，最后引發(fā)的連鎖反應(yīng)造成塊體①、②、③一起滑落，因而傳統(tǒng)塊體理論認(rèn)為關(guān)鍵塊體①是穩(wěn)定的決定因素，只需將塊體①采用錨桿固定，就可以有效解決上述失穩(wěn)問題。但實(shí)際情況往往是采用錨桿將塊體①與塊體②捆綁在一起后會(huì)形成更大的關(guān)鍵塊體，從而給工程和人員帶來更大的威脅。因此，在研究塊體穩(wěn)定性時(shí)，并不能單純的僅研究單個(gè)塊體的穩(wěn)定，而應(yīng)將各塊體看成一個(gè)整體再進(jìn)行分析。

6）相關(guān)軟件的研究。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，理論程序化是不可避免的。雖然已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用較為廣泛Unwedge軟件，但確僅能分析四面體。為了拓寬塊體理論在工程中應(yīng)用領(lǐng)域，提高應(yīng)用效率，將現(xiàn)有理論總結(jié)并建立功能相對(duì)齊全，解決實(shí)際問題能力相對(duì)較強(qiáng)的塊體理論分析軟件是塊體理論研究者又一個(gè)研究的重要方向。

圖1　塊體群失穩(wěn)示意圖

［1］ 張斌.大型地下硐室穩(wěn)定性確定性研究及軟件實(shí)現(xiàn)：［碩士學(xué)位論文］.成都：成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，2004.

［2］ 華安增，張子新.層狀非連續(xù)巖體穩(wěn)定性.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1998.

［3］ R.E.Goodman，G.H.Shi.Block Theory and Its Application to Engineering.Englewoodcliffs，NJ：prentice-Hall，1985.

［4］ 劉錦華，呂祖珩.塊體理論在工程巖體穩(wěn)定分析中的應(yīng)用.北京：水利電力出版社，1988.

［5］ 李愛兵.塊體理論在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用.長(zhǎng)沙礦山研究院季刊，1989，Vol.9（2）：41～46.

［6］ 傅鶴林，周昌達(dá).塊體理論分析硐室的穩(wěn)定性［J］.長(zhǎng)沙礦山研究院季刊，1991，Vol.11（4）：66～72.

［7］ 臧士勇.塊體理論及其在采場(chǎng)巷道穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，Vol.22（4）：9～15.

［8］ 黃正加，鄔愛清，盛謙.塊體理論在三峽工程中的應(yīng)用.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，Vol.20（5）：648～652.

［9］ 巨能攀，黃潤(rùn)秋，許強(qiáng).某水電站地下硐室隨機(jī)塊體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及系統(tǒng)錨固設(shè)計(jì).工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，Vol.12（02）：208～214.

［10］毛海和，夏才初，張子新等.塊體理論赤平解析法在龍灘水電站地下廠房硐室群穩(wěn)定分析中的應(yīng)用.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，Vol.24（8）：1308～1314.

［11］劉阜羊，朱珍德，孫少銳.塊體理論及其在硐室圍巖穩(wěn)定分析中的應(yīng)用.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006，Vol.8（02）：1408～1412.

［12］鄔愛清，丁秀麗，李會(huì)中等.非連續(xù)變形分析方法模擬千將坪滑坡啟動(dòng)與滑坡全過程.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，Vol.25（7）：1297～1303.

［13］廖國燕，伍佑倫，徐東升.塊體理論在金屬礦山關(guān)鍵塊體辨識(shí)中的應(yīng)用.采礦工程，2007，Vol.371（5）：21～24.

TU-45

甘肅省地震局地震科技發(fā)展基金。（2016Q031）