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1、工程中块体的强度、刚度和稳定性分析工力09-1班焦波波李海东高清毅邓戎龙第一节块体理论1.1块体理论介绍1.3块体理论的基本假设1.2块体的分类1.1块体理论介绍块体理论是基于自然界中岩体(含大量结构面的岩石所组成的结构体)针对过去将岩体作为弹性的均质连续体而提出的一种完全不同的认识。块体理论认为，岩体是被断层、节理裂隙、层面以及软弱夹层等结构面切割许多坚硬岩块所组成的结构体而形成的非均质连续体。运用该理论对岩体进行稳定分析时，把岩体看作是刚性块体组成的结构体，破坏机理为刚性块体沿软弱结构面滑移，力学模型为刚性平移。1.2块体的分类块体的分类如下：块体的分类的介绍如下：(1)块
2、体泛指各类结构面和临空面所切割的岩体，亦称结构体，其中仅由结构面切割而成的块体称为裂隙块体；(2)无限块体指未被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，亦即这类块体虽受结构面和临空面切割，但仍有一部份与母岩相连。很明显，这类块体如果本身不产生强度破坏，则不存在失稳问题；(3)有限块体指被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体称为有限块体，或称分离体。有限块体又包含不可动块体和可动块体两类；(4)不可动块体指块体沿空间任何方向移动皆受相邻块体所阻。如果其相邻块体不发生运动，则这类块体将不可能发生运动；(5)可动块体指沿空间某一个或若干个方向移动而不被相邻块体所阻的块体。可动块体又包含
3、稳定块体、可能失稳块体和关键块体三类；(6)稳定块体即在工程作用力和自重作用下，即使滑移面的抗剪强度等于零仍能保持稳定的块体；(7)可能失稳块体即在工程作用力和自重作用下，由于滑动面有足够的抗剪强度才保持稳定的块体。若滑动面上的抗剪强度降低，这类块体可能失稳；(8)关键块体即在工程作用力和自重作用下，由于滑动面上的抗剪强度不足于抵御滑动力，若不加施工工程锚固措施，必将失稳的块体。在自然状态下，这些块体处于静力平衡状态，在地下工程开挖过程中或开挖成型后，使暴露在临空面上的某些块体失去原始的静力平衡状态。因此造成某些块体沿着结构面滑移失稳，进而造成工程岩体失稳破坏，给施工带来严重的
4、威胁，直接影响施工的安全和进度。本文主要研究工程中关键块体的强度刚度和稳定性。1.3块体理论的基本假设块体理论有4个假设：(1)结构面为平面；(2)结构面贯穿所研究的岩体(即结构面假设为无限延伸)；(3)结构体为刚体，不计块体的自身变形和结构面的压缩变形；(4)岩体的失稳是岩体在各种荷载作用下沿着结构面产生剪切滑移第二节块体理论的分析方法块体理论的分析方法主要用数值分析方法，数值分析的方法主要有以下几种：有限单元法、FLAC、不连续变形分析(DDA)方法、离散单元法(DEM)、块体单元法、关键块理论(KBT)、边界元法。下面将对有限单元法、FLAC及关键块理论(KBT)做一下简
5、单的介绍。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,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。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。一般认为,在地下结构中有限元法的应用是否真正有效,主要取决于两个条件: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
6、展情况、节理裂隙的实际分布规律等;二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。不足之处在于有限元法只适用于连续介质,对于非连续介质计算结果不理想。2.1.1有限单元法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。提出了基于该方法的分析模型,分析了页岩中水压力对隧洞稳定性的影响。文献对基于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
7、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。2.1.2FLAC关键块理论(KeyBlockTheory)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
