块体理论的研究发展方向*

2016-11-16马紫娟王文丽

甘肃科技 2016年20期

关键词：块体岩体稳定性

郑　龙，马紫娟，王文丽

（中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州730000）

块体理论的研究发展方向*

郑龙，马紫娟，王文丽

（中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州730000）

块体理论是近年来逐步发展和完善起来的一种岩石工程稳定性分析方法，由石根华和R.E.Goodman于上世纪80年代共同创立。块体理论自创立至今已取得较为丰硕的成果，从水坝库区边坡稳定性分析，到小型硐室的围岩稳定型分析，其涉足的范围已遍及水电站、矿山及岩石边坡稳定分析等各个领域。但由于最初的假设所带来的先天不足，其在块体转动、块体复杂受力情况、块体有限性研究、块体理论与其他相关学科的交叉结合、块体群相关研究、相关软件编制等方面的问题仍函待解决。

岩体；块体理论；研究方向

1　概述

岩体是在漫长的地质历史发展过程中形成的一种古老而极为复杂的天然地质体，在各种地质作用及长期的地应力作用下，其内形成的具有一定方向、一定规模、一定形态和特性、力学强度相对较低的面、缝隙以及带状的地质界面，如岩层层面、片理、节理、软弱夹层、裂隙，以及断层破碎带，统称为结构面。因此，从宏观上讲，岩体为由结构面和被结构面切割形成的块体组合而成的集合体［1］。由于结构面的存在及岩石强度的原因，地下工程开挖以后，岩体在地应力、水压等荷载的作用下发生变化，从而危及地下结构安全。为确保地下结构的施工及使用安全，分析岩体稳定性乃重中之重。

目前，分析岩体稳定性主要有两个思路，一个是将岩体作为连续介质，以弹塑性力学作为主要基础进行研究，另一个则是将岩体看作非连续介质进行研究。前者以深入了解岩体本构为前提，引进了有限元、边界元等解题手段，在分析复杂的岩石工程应力场和位移场等方面取得了重大进展，解决了许多工程实际问题。但为了更好的研究地下工程周围出现的岩石冒落、边坡滑动和岩层移动等课题，必须充分考虑岩体的非连续性［2］。此类方法主要有离散单元法、块体理论等，其中块体理论以其分析过程简便快捷得到广泛应用。

2　块体理论的研究现状

2.1块体理论理论研究的发展

1985年，石根华与R.E.Goodman出版了《Block Theory and Its Application to Rock Engineering》一书，标志块体理论的创立。石根华最初创立的块体理论（为以示区别，后面称传统块体理论）主要基于以下四种假设展开研究［3］：（1）结构面为无限大的平面；（2）结构面贯穿研究的岩体，即不考虑岩石块体本身的强度破坏；（3）结构体为刚体，不考虑块体的自身变形和结构面的压缩变形；（4）岩体失稳是岩体在各种荷载作用下，沿着结构面产生剪切滑移。

传统块体理论很好的结合了几何拓扑学和岩体工程稳定性分析，为工程指导提供了一种全新的方法和分析思想，但从假设中可以看出，该理论只考虑了块体的滑移破坏，没有考虑块体的转动破坏，同时将结构面假想成无限大的平面，致使计算结果与现实有偏差，另外采用的分析方法-全空间赤平投影法，随着计算机的发展，利用程序分析工程问题，已然成为一种趋势，全空间赤平投影法不利于程序的编制的缺点也逐渐凸显出来。针对以上问题，其他块体理论研究人员从分析方法、块体转动、结合其他理论考虑块体自身变形等不同角度对传统块体理论进行了完善、补充。

传统块体理论有其独特的优点，也有许多局限性。为了使块体理论更真实更方便用于工程实际，国内外许多学者将其他方法与块体理论进行结合，以期扬长避短，发挥各自所长。目前块体理论与其他方法的结合主要有与概率论之间的结合，与有限元等数值方法的结合以及与分形理论的结合等。

2.2块体理论的工程应用

1988年，刘锦华［4］为工程实践提供了理论依据，正式将块体理论引入我国。自此，块体理论以其鲜明的特点在各项工程中得到广泛应用。1989年，李爱兵［5］应用于铜录山边坡稳定性分析中；1991年，傅鹤林等［6］用于分析某矿卷扬机硐室围岩稳定性；1997年，臧士勇［7］运用于地下矿山采场巷道的稳定性分析中，这在当时是一种新的尝试；2001年，黄正加［8］应用块体理论对三峡地下厂房围岩裂隙随机块体及大型断层定位块体和三峡船闸高边坡块体进行分析，并对加固后块体的稳定性进行研究；2004年，巨能攀［9］应用于某水电站的地下硐室，为地下硐室的系统锚杆长度的确定提供了理论依据；2005年，毛海和［10］运用块体理论赤平解析法分析龙滩水电站地下厂房硐室群的稳定性，得出厂房各部分可动块体分布的直观统计结果，为设计有效的加固方案提供了依据；2006年，刘阜羊［11］等对块体理论运用到硐室围岩稳定分析中进行了研究；2006年，邬爱清等［12］利用DDA对三峡千将坪滑坡的启动条件和滑坡全过程特征进行数值模拟；2007年，廖国燕［13］等人将将块体理论应用到金属矿山关键块体的辨识，用来解决金属矿矿体覆岩破坏与移动规律，为保证采空区的稳定性和控制地表塌陷提供了重要的理论依据。

由此可以看出，块体理论目前已应用相当广泛，其涉足的范围已遍及水电站、矿山及岩石边坡稳定分析等各个领域。

2.3块体理论的发展方向

虽然块体理论自创立至今已取得较为丰硕的成果，但由于传统块体理论最初的假设所带来的先天不足，其在块体转动、块体有限性研究、相关软件编制等方面的问题仍函待解决。具体来说，块体理论未来的发展方向主要有以下几个方面：

1）块体转动的研究。在传统块体理论的研究中，在计算块体所受合力时，假设块体失稳形式不考虑块体转动，仅考虑块体滑移，但工程上块体转动失稳的事故常有发生。刘志斌和张菊明等从力学的角度曾对该问题进行分析，但是由于现场块体受力的复杂性及各力作用点的不明确，块体转动研究成果在实际应用方面至今还没有得到很好解决；

2）块体复杂受力情况的研究。在以往的研究里，往往假设块体仅受自重作用，期间也有人对块体在自重和地下水共同作用或地应力作用下进行研究，但这些研究基本都建立在简化的基础上进行，与实际情况相差较远，从而造成了分析结果与实际情况的差异较大；

3）有限块体的研究。传统块体理论假设结构面是空间无限大的平面，实际情况下结构面出露的迹线长度是有限的，理论分析出来的可动块体或关键块体在实际中并不存在。另一方面，研究有限结构面形成的有限块体势必又带来块体形态分析的问题。在结构面为无限大的假设前提下，所形成的可动块体和关键块体都是凸块体，当结构面为有限时，块体则出现多种凹块体形态，原来所使用的矢量分析法则不再适用；

4）块体理论与其他理论的结合。学科与学科间的交叉，理论与理论间的融合是科学发展的必然趋势。在过去的二十几年里，国内外学者已在这方面做了相当多的工作，其中最多的是块体理论与概率论之间的结合，用于分析关键块体的空间位置概率分布，块体大小概率分布等。另外，还有块体理论与蒙特卡洛法、有限元、分形等的结合。这种与其他理论间的结合，从不同角度弥补了块体理论的不足，使问题分析结果更接近实际。

5）块体群的研究。传统块体理论重点研究单个块体在特定受力情况下的滑移失稳形式，没有块体与块体之间的相互影响。如图1所示，块体①为关键块体，该块体滑落后，块体②为稳定块体，然块体1滑落后会引起块体②的失稳，最后引发的连锁反应造成块体①、②、③一起滑落，因而传统块体理论认为关键块体①是稳定的决定因素，只需将块体①采用锚杆固定，就可以有效解决上述失稳问题。但实际情况往往是采用锚杆将块体①与块体②捆绑在一起后会形成更大的关键块体，从而给工程和人员带来更大的威胁。因此，在研究块体稳定性时，并不能单纯的仅研究单个块体的稳定，而应将各块体看成一个整体再进行分析。

6）相关软件的研究。随着计算机的发展，理论程序化是不可避免的。虽然已经开发出应用较为广泛Unwedge软件，但确仅能分析四面体。为了拓宽块体理论在工程中应用领域，提高应用效率，将现有理论总结并建立功能相对齐全，解决实际问题能力相对较强的块体理论分析软件是块体理论研究者又一个研究的重要方向。