等效巖體技術(shù)在巖體工程中的應(yīng)用分析

邵偉立

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展與科技的不斷創(chuàng)新，進(jìn)而帶動(dòng)了我國礦業(yè)的不斷發(fā)展與進(jìn)步。然而在礦產(chǎn)被開采的過程中，巖體工程的實(shí)施與開展對(duì)于礦產(chǎn)的開發(fā)與挖掘起到了至關(guān)重要的作用。其中等效巖體技術(shù)作為巖體工程實(shí)施與開展的核心，正在不斷的引起了國家和相關(guān)企業(yè)的高度重視，因此本文主要根據(jù)等效巖體技術(shù)在巖體工程中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：等效巖體技術(shù)；巖體工程；應(yīng)用分析

引言

眾所周知，巖體作為一種地質(zhì)體，在經(jīng)歷多次反復(fù)的地質(zhì)作用后，造成了不同程度上的變形破壞，進(jìn)而形成一定的巖石成分和結(jié)構(gòu)面。其中節(jié)理作為結(jié)構(gòu)面中重要的一種，在一定程度上可以引起巖體的尺寸效應(yīng)。所謂尺寸效應(yīng)就是巖體內(nèi)部的強(qiáng)度與硬度與巖體的尺寸形成反比，同時(shí)由于節(jié)理的存在，巖體在外荷載作用下所表現(xiàn)出的特征為各向異性。在工程設(shè)計(jì)中巖石力學(xué)與工程應(yīng)用的基礎(chǔ)工作便是對(duì)于巖石的質(zhì)量評(píng)價(jià)，在此過程中，雖然巖石節(jié)理力學(xué)試驗(yàn)對(duì)于巖石質(zhì)量評(píng)價(jià)比較細(xì)致科學(xué)，并且還可以真實(shí)的反映出節(jié)理巖體的力學(xué)行為，但是由于在實(shí)行過程中受到經(jīng)費(fèi)的限制，所以這種方法在絕大程度上不能夠完全被采用。然而現(xiàn)階段普遍采用的都是具有一定經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)以及進(jìn)行實(shí)際觀察的巖體分類法，這種方法沒有完全考慮巖體各向異性以及尺寸效應(yīng)對(duì)于力學(xué)參數(shù)的影響。因此等效巖體技術(shù)的展開在一定程度上促進(jìn)了巖體工程的全面進(jìn)展。

1 等效巖體構(gòu)成要素

1.1 黏結(jié)顆粒模型

等效巖體技術(shù)是建立在生成和測(cè)試三維數(shù)值計(jì)算模型基礎(chǔ)之上的，在這其中主要包括兩項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，其一是黏結(jié)顆粒模型，其二是三位結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型。其中黏結(jié)顆粒模型主要用于模擬完整的巖塊在外荷載的作用下，巖塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變、遭到破壞以及聲發(fā)射等巖石力學(xué)行為。其次黏結(jié)顆粒模型的建立理論主要采用離散單元的方法，通過此方法可以更好的模擬出圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且也能夠模擬出其內(nèi)部的相互作用原理。其中顆粒之間相互作用的模型主要有接觸剛度模型、滑動(dòng)模型以及黏結(jié)模型等。

1.2 光滑節(jié)理模型

光滑節(jié)理模型也是等效巖體構(gòu)成的重要組成部分，其原因主要是因?yàn)樵陴そY(jié)顆粒模型建立的基礎(chǔ)上，一般采用黏結(jié)接觸面以及一定厚度的軟弱材料進(jìn)而對(duì)巖體中的節(jié)理進(jìn)行描述。但是在這兩種方法采用的過程中都還面臨著許多的不足，其中采用黏結(jié)接觸面來描述巖體中的節(jié)理時(shí)，顆粒與顆粒之間常常表現(xiàn)出許多“顛簸”的效應(yīng)，這在一定程度上完全不符合節(jié)理巖體的力學(xué)效應(yīng)。其次當(dāng)采用一定厚度的軟弱材料來描述巖體節(jié)理的過程中，當(dāng)巖體節(jié)理結(jié)構(gòu)面很小時(shí)，其中微小的結(jié)構(gòu)面顆粒將會(huì)導(dǎo)致顆粒流數(shù)值計(jì)算方法的難度加大。并且當(dāng)不同形狀的結(jié)構(gòu)面同時(shí)存在時(shí)，黏結(jié)接觸面以及一定厚度的軟弱材料這兩種方法便不能科學(xué)、等效的建立相應(yīng)的計(jì)算模型。因此光滑節(jié)理模型概念的提出，在很大程度上解決了這一項(xiàng)問題，其主要原因是因?yàn)楣饣?jié)理模型的形狀為圓盤形，這一形狀的產(chǎn)生可以不必考慮顆粒間的接觸方向，進(jìn)而在顆粒體中生成任意產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面。同時(shí)該模型的建立也允許了兩個(gè)接觸顆粒可以沿著結(jié)構(gòu)面平行滑動(dòng)，這在極大程度上消除了顆粒在黏結(jié)接觸面滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的“顛簸”效應(yīng)。

2 等效巖體技術(shù)的工程應(yīng)用

2.1 黏結(jié)顆粒模型材料參數(shù)標(biāo)定

隨著等效巖體技術(shù)在巖體工程中的不斷應(yīng)用，其中對(duì)于等效巖體的材料分析也就變得十分重要。在對(duì)等效巖體材料進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)分析之前，首先要對(duì)等效巖體的材料力學(xué)參數(shù)上進(jìn)行標(biāo)定，其中對(duì)于黏結(jié)顆粒模型材料的參數(shù)標(biāo)定也是極其重要的一部分。顆粒流數(shù)值計(jì)算的方法通過顆粒生成計(jì)算模型，并且通過該計(jì)算模型對(duì)顆粒級(jí)黏結(jié)的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行選取，其中可以在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)黏結(jié)顆粒賦予假定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，然后進(jìn)行數(shù)值試樣實(shí)驗(yàn)。將假定的力學(xué)參數(shù)與實(shí)際測(cè)量出的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其數(shù)據(jù)中所存在的差別，進(jìn)而對(duì)細(xì)觀的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)所試驗(yàn)的結(jié)果與計(jì)算的結(jié)果數(shù)值基本上相同時(shí)，便可以在實(shí)際黏結(jié)顆粒計(jì)算模型中應(yīng)用此組細(xì)觀的力學(xué)參數(shù)。通過所采用的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)的細(xì)致性以及準(zhǔn)確性，進(jìn)而保證了等效巖體技術(shù)在巖體工程中能夠更好的應(yīng)用。

2.2 光滑節(jié)理模型力學(xué)參數(shù)標(biāo)定

在等效巖體技術(shù)實(shí)施的過程中不但要對(duì)黏結(jié)顆粒模型的材料進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，也要對(duì)光滑節(jié)理模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。通過對(duì)邊坡巖體節(jié)理工程的節(jié)理粗糙度、硬度以及巖石節(jié)理力學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)而可以對(duì)光滑節(jié)理模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。其中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘測(cè)的數(shù)據(jù)顯示：在邊坡巖體節(jié)理工程參數(shù)中，跡線長參數(shù)的均值為9.11米、方差為11.60米；裂隙密度的均值為3.17條/米、標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.29條/米；間距參數(shù)的均值為0.47米、方差為0.46米。所計(jì)算出的光滑節(jié)理模型力學(xué)參數(shù)中法向剛度為80/GPa；切向剛度為8/GPa；其內(nèi)摩擦角為35度；膨脹角為0度；黏聚力為2.5/MPa。

2.3 等效巖體計(jì)算模型的建立

等效巖體技術(shù)主要內(nèi)容包括黏結(jié)顆粒模型的構(gòu)建以及三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建，由于顆粒生成的模型尺度較大，并且需要的顆粒數(shù)目也較多，因此要采用黏結(jié)顆粒模型與光滑節(jié)理模型相結(jié)合。在光滑節(jié)理模型所構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用連續(xù)的周期邊界技術(shù)或者非連續(xù)的周期邊界技術(shù)來建立黏結(jié)顆粒模型，這在一定程度上可以降低建造模型所消耗的時(shí)間，并且光滑節(jié)理模型所構(gòu)成的三維結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)嵌入到黏結(jié)顆粒模型中，這在極大程度上可以真實(shí)的反映出巖石節(jié)理分布的狀態(tài)，并且可以通過所反映出來的狀態(tài)，能夠科學(xué)、等效的建立出所對(duì)應(yīng)的巖體模型，進(jìn)而對(duì)等效巖體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

結(jié)語

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步與科技的不斷創(chuàng)新，等效巖體技術(shù)作為我國巖體工程開展的一項(xiàng)重要技術(shù)，已經(jīng)在不斷的深入到每一項(xiàng)巖體工程當(dāng)中，隨著等效巖體技術(shù)的全面實(shí)施，進(jìn)而促進(jìn)了企業(yè)對(duì)于巖體工程的順利開展，也在一定程度上為企業(yè)能夠更好的挖掘礦產(chǎn)提供了保障，進(jìn)而促進(jìn)了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)的不斷發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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