巖體力學行為多層結構模型研究

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.北京黎明航發動力科技有限公司沈陽黎明燃機分公司，遼寧 沈陽 110043）

巖體與一般介質相比，其內部結構呈現多裂隙狀態，巖體結構面起著控制作用，這些裂隙的存在導致巖體具有分均質特性。改變其力學性能，間接影響其滲透特性，更是其弱處所在，巖體更加容易變形，這給巖土的力學分析帶來相當大的難度。

1 巖體力學分析研究現狀和發展

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

隨著計算機技術、高等數學教育、線性代數及概率試驗技術與測試技術的發展，巖石力學數值分析將不再簡單的認為是一種單一的模式之內。國際上巖石力學上具有嶄新的趨勢。巖石工程對環境的影響越來越大，使全球對環境保護越來越重視。巖石力學由固體力學問題向多方向各種力學性能發展。

2 巖體的力學特性及其結構模型

巖體的應力主要取決于巖體中的裂隙斷面幾何形態，但是由于裂縫和天然節理的復雜性，節理縫隙巖體所表現出來的特性是非常困難的。但是，隨著時間的推移和經驗的積累加上不懈的努力，很多問題都已經有了突破性進展。例如，在軟弱巖體地段，各種介質都會被視作是連續體，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，規模比較大的節理就會以單元模擬的形式來視為客觀的裂縫巖體構成的復雜關系，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理裂縫巖體的研究，取得一定的研究成果。節理巖石模型進行了多軸模式實驗，這些研究結果表明各種力學特性，尤其在強度上各種力學性能具有不同的特點模式。對于建立關系具有一定的意義，雖然一些力學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。巖石力學測試和計算在國內的發展取得一定的進步和結果，裂隙巖體的關系和力學特性之間的關系也越來越明顯出現在人們范圍內。科研人員主要是把巖體抽象模型這種相對復雜的東西轉變為較簡單的模型，這種模擬試驗不用在戶外而是在室內就可以較好地模擬出來，完成實驗構成，并輔以一定的計算方法，找到之間的規律性，在規律上發現一定的特點。力學特性試驗的測量則需要在室內和室外共同進行才能真實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、復雜、系統、全面的研究，國內外都不多，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驗模擬。

巖體是一種不均勻介質。在建筑過程中，我們要需要清楚地了解它們的力學性能以及各種力學之間的關系，是協作還是互相抗衡。為此通常需要進行相應的試驗，對巖體的力學性能和計算數據加以處理與檢測，同時理論與實際要相結合，更多的分析計算是必不可少的。由于裂隙巖體的力學特性非常復雜，應該說，有關不連續巖體的計算理論知識還是很欠缺的，因此需要很多假設以應對其不定性。

3 巖體多層結構模型理論

在工程斷裂等情況，不同的巖體結構，在結構面中，對影響極其大，設計者總是將這個看作重中之重。一般情況下，結構面數量較少，需要一些特殊模擬在有限元分析。結構面密集需要用等效連續介質方法模擬，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，層狀節理更具有向異性。假設應變和應力的主軸時刻處在重合狀態，即不考慮旋轉造成的影響。然而實際工程中，比如邊坡，由于應力主軸由旋轉導致的塑性變形，因而塑性力學不能完整的反映出巖體力學機制。

非線性本質特征是巖體特有的，主要表現在：在變形之后，在整體變形進入塑性前，占主導因素的是非線性因素，這就構成了系統中出現變形和非線性等復雜的力學行為，而巖石力學和工程都屬于自然化學工程，在自然情況下規模大，存在比較復雜的系統，更是具有原始條件和環境信息的不確定性。通常，巖體演化過程通常是一個非線性過程，非平衡態系統力學方法無法體現的力學行為。巖石材料的分布不均勻，巖體內應力時刻變化不定，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，使得巖石力學具有非線性關系。多數工程巖土都處于彈塑性狀態，在工程設計上要考慮到巖體彈塑性問題，而且這個特性起到至關重要的作用。

結語

隨著我國社會主義經濟發展，我國對巖體研究、治理越來越重視，其位置也越來越重要。在一些大型工業等建設中，經常需要開挖一些坡度較高的地方。高邊坡的穩定性與高邊坡處理往往是工程難題也是關鍵的地方，也是確保整個工程安全及人員安全、財產安全的部分。

本文在系統學習和總結前人研究成果的基礎上，結合本課題的特點，對裂隙巖體結構模型處理與研究方法進行一定分析。將理論和實踐相結合的理念對巖體力學進行更深一層的分析，得出以下結論：分析了裂隙巖體的變形特性力學性能變化，塑性力學原理與重要性，包括各種巖體不同理論和準則、以及加工原理及其在實際生產中的應用問題，并進一步揭示巖體發展的局限性。闡述了裂隙巖體分析的等效連續模型層結構模型，詳細推導了層結構模型彈塑性理論。各巖體及巖體模型的計算問題仍然是學術界研究的問題，需指的進一步深入研究和大量的實踐。

[1]黃潤秋，許強，陶連金，等.地質災害過程模擬和過程控制研究[M].北京：科學出版社，2002.