巖體結(jié)構(gòu)面模擬方法探析

韓春秀,胡英,施繼余

(昆明冶金高等專科學(xué)校建筑工程學(xué)院,云南昆明650033)

國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)將巖體中的斷層、軟弱層面、大多數(shù)節(jié)理、軟弱片理和軟弱帶等各種力學(xué)作用形成的破裂面和破裂帶定義為結(jié)構(gòu)面(Discontinuity)。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球350座水庫(kù)壩址區(qū)的基巖滑坡,有50%以上的岸坡失穩(wěn)是因巖體結(jié)構(gòu)面的影響而引發(fā)的。因此,準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)和描述結(jié)構(gòu)面特性對(duì)研究巖體的工程穩(wěn)定性具有重要意義。由于結(jié)構(gòu)面的復(fù)雜性,關(guān)于巖體中結(jié)構(gòu)面的模擬,仍是至今未能得到妥善解決的一個(gè)重要問題。

1 巖體結(jié)構(gòu)面的模擬技術(shù)

目前對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬的方法有兩種,一種是為獲得表征結(jié)構(gòu)面幾何關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)模擬,另一種是為獲得表征結(jié)構(gòu)面力學(xué)特征的數(shù)值模擬。筆者認(rèn)為只采用一種方法進(jìn)行是不合適的,因?yàn)椴煌愋偷慕Y(jié)構(gòu)面所表現(xiàn)的形態(tài)、大小、特征等方面都存在差異,所以首先應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分類,再有針對(duì)性地采取不同方法進(jìn)行模擬分析。

1.1 結(jié)構(gòu)面的分類

結(jié)構(gòu)面按其是否可由地質(zhì)調(diào)查完全確定分為確定性結(jié)構(gòu)面和隨機(jī)性結(jié)構(gòu)面。確定性結(jié)構(gòu)面(工程分級(jí)為Ⅰ、Ⅱ級(jí)的結(jié)構(gòu)面)通常是指發(fā)育規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)面,這種結(jié)構(gòu)面近似連續(xù),有確定的延伸方向,延伸長(zhǎng)度為數(shù)十米至數(shù)百米不等,可有一定的厚度或影響帶。如：斷層面或斷層破碎帶、軟弱夾層、長(zhǎng)大緩裂隙,長(zhǎng)大裂密帶,貫通性結(jié)構(gòu)面等。

隨機(jī)結(jié)構(gòu)面(工程分級(jí)為Ⅲ級(jí)的結(jié)構(gòu)面)指大量隨機(jī)分布于巖體中的短小節(jié)理,這類結(jié)構(gòu)面屬于硬性結(jié)構(gòu)面,它們隨機(jī)斷續(xù)分布,延伸長(zhǎng)度為米級(jí)至十幾米,具有統(tǒng)計(jì)優(yōu)勢(shì)方向,主要是各類原生裂隙和構(gòu)造裂隙。

1.2 巖體結(jié)構(gòu)面的模擬方法分析

確定性結(jié)構(gòu)面構(gòu)成巖體力學(xué)作用邊界,控制巖體變形破壞的演化方向,對(duì)巖體穩(wěn)定性具有很大的控制意義,主要通過數(shù)值模擬進(jìn)行分析。就目前模擬技術(shù)來說,無論是有限元、邊界元、離散元、還是它們的耦合計(jì)算,以及它們與模糊數(shù)學(xué)、概率統(tǒng)計(jì)、分形幾何或損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)的結(jié)合等等,其計(jì)算結(jié)果的可靠性均取決于巖體結(jié)構(gòu)模型的正確與否以及結(jié)構(gòu)面的參數(shù)選取。

隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的分布具有隨機(jī)性、形態(tài)多樣、分布不均勻和空間組合的復(fù)雜性,所以很難表征結(jié)構(gòu)面的分布。目前在這方面的工作主要遵循兩條途徑：(1)統(tǒng)計(jì)模型方法。(2)概率模型方法。第一種方法往往需要大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和測(cè)量,受測(cè)量露頭限制的影響較大,而第二種方法對(duì)巖體結(jié)構(gòu)的描述較為籠統(tǒng),不夠具體。實(shí)際上結(jié)構(gòu)面在巖體的分布既具有隨機(jī)的一面,也有其確定性的一面,應(yīng)該結(jié)合這兩種方法進(jìn)行分析。

筆者認(rèn)為應(yīng)綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)量的局限性,充分利用統(tǒng)計(jì)、概率模型的優(yōu)勢(shì)以及數(shù)值模擬技術(shù),從綜合的角度探討結(jié)構(gòu)面的模擬技術(shù)。具體做法是：把模型看成是一個(gè)等效連續(xù)復(fù)合體,先針對(duì)短小、非貫通的隨機(jī)結(jié)構(gòu)面,采用蒙特卡洛方法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模擬,以獲得這些結(jié)構(gòu)面的傾角、跡長(zhǎng)等幾何特征,并計(jì)算出力學(xué)參數(shù);再利用Ansys模擬技術(shù)對(duì)規(guī)模較大的確定性結(jié)構(gòu)面進(jìn)行數(shù)值模擬,按非均質(zhì)體處理,同時(shí)看成宏觀的連續(xù)體,隨機(jī)結(jié)構(gòu)面對(duì)模型的影響在巖體參數(shù)選擇中考慮,而不是在模型的尺寸上考慮。

2 工程應(yīng)用分析

鹽津橋水庫(kù)位于貴州省仁懷市境內(nèi),是一個(gè)以灌溉、發(fā)電、供水及旅游為目的的綜合水利工程。壩址河床高程為569m,正常水位高650m。右岸壩肩下游為復(fù)式谷坡,地形為陡崖,地形坡角70°～80°,為斜向坡,相對(duì)高差約124m。597～660m高程內(nèi)距壩端下游20～50m左右?guī)r體為臨空面。邊坡坡體出露地層為寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)群第二段的淺灰至灰色中厚層夾薄層含硅質(zhì)粉、細(xì)晶白云巖、砂屑白云巖及薄層泥質(zhì)白云巖,白云巖偶夾軟弱夾層。第四系主要由殘、坡積堆積的亞粘土夾塊石、碎石和石灰石組成,厚約0.5～1.0m。由于壩肩巖體為順層邊坡,再加上裂隙發(fā)育,嚴(yán)重影響壩肩的穩(wěn)定性。

2.1 隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的蒙特卡洛模擬

隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)模型：在右壩肩下游處,首先由測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出裂隙的優(yōu)勢(shì)方位,確定出三組裂隙組,其產(chǎn)狀為：①N72°E/80°NW、②N23°E/40° SE及③N33°W/20°NE。采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS分別對(duì)三組裂隙進(jìn)行傾角分布擬合(圖1(a)、圖2(a)、圖3(a)),通過假設(shè)檢驗(yàn)得到,樣本中三組裂隙的傾角均服從正態(tài)分布;對(duì)各組的裂隙跡長(zhǎng)進(jìn)行分布擬合(圖1(b)、圖2(b)、圖3(b)),得到第①組樣本的裂隙跡長(zhǎng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,第②、③樣本的裂隙跡長(zhǎng)服從負(fù)指數(shù)分布。

隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的概率模型。上節(jié)中計(jì)算的跡長(zhǎng)屬于測(cè)線跡長(zhǎng),而我們需要的是總體跡長(zhǎng),總體跡長(zhǎng)取測(cè)線跡長(zhǎng)時(shí)的概率有多大呢?跡長(zhǎng)的分布情況不同,兩者參數(shù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果也不一樣,表1列出的是Priest和Hudson推導(dǎo)出的全跡長(zhǎng)與測(cè)線交切跡長(zhǎng)參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。從而可算出三組裂隙的總體跡長(zhǎng)均值分別為μL1=0.56m(μL+0.12/μL=0.74),μL2=2.47/2=1. 235m,μL3=2.88/2=1.44m。

表1 各種跡長(zhǎng)分布的均值轉(zhuǎn)換(據(jù)Priest和Hudson,1981)Tab.1 Transformation of typical value for all kinds of distributed trace lengths (Base on Priest and Hudson,1981)

隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的蒙特卡洛模擬。采用Monte-Carlo方法,在右岸下游研究區(qū)進(jìn)行裂隙網(wǎng)絡(luò)的模擬,二維裂隙網(wǎng)絡(luò)是由不同長(zhǎng)短、不同傾角的裂隙形成的圖形(圖4)。該圖從直觀上描述了隨機(jī)裂隙的幾何分布,分布的結(jié)果可用于推求巖體的綜合統(tǒng)計(jì)力學(xué)參數(shù)。論文在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),計(jì)算復(fù)合模型力學(xué)參數(shù)就用到該成果。

表2 計(jì)算模型各材料力學(xué)參數(shù)選用表Tab.2 All kinds of parameters of mechanics of materials in computation module

2.2 確定性結(jié)構(gòu)面的數(shù)值模擬

結(jié)構(gòu)面的參數(shù)選?。簬r體的參數(shù)確定一直是巖土工程中的一個(gè)重要及困難的問題,巖體力學(xué)參數(shù)的合理取值,是計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果合理的關(guān)鍵。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模情況,本論文中巖體材料力學(xué)參數(shù)的選取分兩部分：一是完整巖塊、卸荷裂隙、軟弱夾層及隨機(jī)裂隙的力學(xué)參數(shù)均參考水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院提供的地質(zhì)資料以及相關(guān)巖石室內(nèi)試驗(yàn)資料。二是含隨機(jī)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)采用等效連續(xù)復(fù)合模型,通過理論計(jì)算獲得(表2)。

其它計(jì)算要素說明：采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬,為了研究巖體的某些特定的性質(zhì)(例如結(jié)構(gòu)面變形的影響程度),忽略了一些次要的因素(例如巖石內(nèi)部的一些微觀缺陷),而著眼于巖體的最主要的性質(zhì)。因此,論文在模擬時(shí)進(jìn)行以下假設(shè)：力學(xué)模型為宏觀連續(xù)體,本構(gòu)關(guān)系采用彈塑性模型;不考慮巖石內(nèi)部微觀孔洞等缺陷的影響;結(jié)構(gòu)面是平滑的,不考慮粗糙度的影響;結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體的變形為小變形;巖體的屈服破壞符合德魯克-普拉格準(zhǔn)則;結(jié)構(gòu)面模型如圖5。

3 結(jié)論

1)采用蒙特卡洛(Monte-Carlo)方法可以對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行由局部到整體、由表及里的模擬,能在統(tǒng)計(jì)意義上了解在一般情況下難以觀察、測(cè)量到的巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況。

2)此方法有效解決了無法對(duì)數(shù)量多、尺寸小的節(jié)理進(jìn)行逐條模擬的問題,又從變形和強(qiáng)度的弱化方面把節(jié)理考慮進(jìn)去,與現(xiàn)實(shí)情況近似,是一種行之有效的方法。

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