地下工程稳定性分析方法浅谈-评职称__墨水学术,论文发表,发表论

所属栏目：推荐论文发布时间：2011-02-25浏览量:172

副标题#e#
　　地下工程稳定性分析方法浅谈
　　杭燮
　　南京市南坝建设有限公司江苏南京210000
　　摘要：目前地下工程围岩稳定性评价方法很多，对这些分析方法作一简单的回顾与总结，了解这些分析方法在实际工程问题应用中的优点和不足之处，以便于对分析成果进行正确的判断。
　　关键词：理论分析；数值分析；模型试验
　　地下工程围岩稳定性问题一直是岩土工程的一个重要研究内容，而围岩稳定性评价结果的正确与否直接关系到地下工程的成败。根据地下工程围岩稳定性分析的数学模型，可将目前常用的围岩稳定性分析方法分为：理论分析法、数值分析方法、模型试验法三类。
　　1理论分析方法
　　理论分析方法主要是通过对围岩进行解析计算来评价其稳定性。在进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算，并能得出弹性解析解。
　　解析法有分离变量法、积分变换法、积分方程法、变分法及复变函数法等。对岩性坚硬、节理不发育、完整性较好的围岩进行稳定分析，经常采用复变函数法得出弹性解析解。解析方法多用于圆形隧道的求解，当洞室是非圆形时，就需要通过保角变换把复杂形状的边界变换为简单形状的边界来求解。解析法具有精度高，分析速度快和易于进行规律性研究等优点。但解析法分析围岩应力和变形目前多限于深埋地下工程，只能适用于边界条件较为简单及介质特性不甚复杂的情况，对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难。
　　2数值分析方法
　　随着计算机的发展和普及，数值分析法已经成为岩石力学研究和工程设计计算的重要手段，在地下工程围岩稳定分析中大致采用以下方法：
　　（1）有限元法。有限元法自20世纪70年代提出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，可以用来求解线弹性、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。其优点是可以部分地考虑地下结构岩体的非均质和不连续性，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。但有限元法在本质上是一种连续介质的数值分析方法。为了模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面,考虑其非连续性，可按结构面的特征采用不同的处理方法。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,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。
　　（2）DDA方法。由石根华与Goodman提出的块体系统不连续变形分析是基于岩体介质非连续性发展起来的一种新的数值分析方法。DDA模型建立了一套完整的块体系统运动理论，与有限元法的不同之处是可以计算不连续面的位错、滑移、开裂和旋转等大位移的静力和动力问题。DDA模型将岩体完全离散化，这与实际岩体的情况不十分相符，将DDA模型与连续介质力学数值模型结合起来，应该是DDA模型工程应用研究大的发展方向。
　　（3）离散单元法。自1971年Cundall首次提出离散单元模拟以来，这一方法已在岩土工程问题中得到越来越多的应用。其基本思想是岩块之间的相互作用，同时受表征位移-力的物理方程和反映力-加速度(速度、位移)的运动方程的支配，通过迭代求解显示岩体的动态破坏过程。离散单元法的一个突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布，并且它利用动态松弛法求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。该法主要用于分析节理岩体及其与锚杆（索）的相互作用。其存在的主要问题是阻尼系数选取的随意性和迭代计算收敛的盲目性。
　　（4）块体单元法。任青文等提出的块体单元法以块体单元的刚体位移为基本未知#p#副标题#e#量，根据块体在外力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层材料的本构关系，通过变分原理建立块体单元法的支配方程，用于确定块体位移及夹层材料的应力状态。该法可以解决非连续介质问题，特别适用于具有众多节理、裂隙岩体的变形、应力和地质结构面岩体的稳定分析，具有效率高、精度好等优点。但该方法将岩体完全离散化,这与实际岩体情况不太相符。
　　（5）有限差分法。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（FastLagrangianAnalysisofContinuum）数值分析方法。该方法采用了混合离散方法、动态松弛方法和显式差分法，不形成刚度矩阵，适合于模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏和塑性流动的力学行为；适合于模拟地质材料的大变形、失稳、动力、流变、支护和加固、建造及开挖等问题；同时，还可以模拟渗流场和温度场对岩土工程的影响。该方法与有限元方法相比，能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，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。
　　（6）边界元法。边界元法由英国学者Bribbia最先提出，并从20世纪60年代开始在工程计算中得到应用。该法将偏微分方程变换成求解对象边界上的积分方程式并将其离散化求解。由于变换成边界上的方程式使问题比解析对象降低了一维，对于一般的线性问题只需进行区域边界的单元分割，所以与有限元相比，具有计算时间短、计算范围大等特点，但边界元法系数矩阵是满阵，远比有限元刚度矩阵（带状稀疏阵）的结构复杂，且对奇异边界较难处理，对变系数、非线性等问题较难适应。
　　（7）块体-弹簧元分析法。Kawai于1987年提出了采用简化的刚性块体来模拟不连续介质的刚体弹簧元数值模型。它以单元形心的刚体位移为基本未知量，仅考虑单元之间缝面的变形协调和本构关系来建立求解的支配方程，确定缝面的相对位移和应力。该模型在分析节理岩体的稳定性时具有一定的优点，可以反映围岩不连续的变形和运动规律。
　　3模型试验方法
　　地下工程围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随，模型与实际工程问题的相似性是模型试验解决问题的关键。针对理论分析中的种种缺陷和不足，国内外不少学者开展了大量的模型试验研究工作，得出了许多有益的结论。如荷兰S.C.Ban-dis等进行了模拟高地应力条件下的圆形洞室开挖模型试验后认为：即使在超高应力条件下，围岩的各向异性性质还是很明显，其二次应力和变形都由岩体构造控制。模型试验方法多用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程。
　　但是，模型试验尚难以实现时空模拟。从模型材料及其结构构造到模拟尺度、开挖步序、施工工艺等无不包含着诸多难以解决的问题。虽然在模型材料、模拟尺度、加载与控制系统、高精度开挖及位移（变形）监测系统等方面集中体现了国际上领先技术，为工程实施提供了参考，但仍然存在在时间模拟尺度上的缺憾，而时间的模拟远较其他几项模拟内容难度更大。然而，地下工程围岩稳定性分析的一个很重要的内容即是与时间有关的岩体特性的分布与变化。
　　另外，模拟参数越多，模拟理论越精细，模拟试验的复杂程度就越高，实现难度也越大。加之大尺度模拟试验耗资巨大，难以大量进行。这导致模型试验只能作为重大工程决策参考的依据之一。
　　4结论
　　围岩稳定性分析中存在基础理论不成熟、失稳判据难以确定、思维方式禁锢等问题。纵观围岩稳定性分析方法的发展及在实际工程中的应用，各种方法均不能真正圆满解决工程中的实际问题,同时，由于各种技术革新、数学、力学及计算机技术的快速发展等均不断地向理论分析提出新挑战，因此，对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需要作进一步的深入具体研究。
　#p#副标题#e#　由于地下工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法，因此，依托计算机技术，进行多种方法综合评价分析是未来发展的一种趋势。同时，由于地下工程常依赖于经验，因此，利用地下工程的失稳和稳定实例建立识别系统，考虑多种因素影响,使多学科交叉融合，也是未来的发展方向之一。
　　参考文献
　　[1]王思敬，杨志法.地下工程岩体稳定分析[M].北京：科学出版社，1984.
　　简介：姓名：杭燮（1975-），男，江苏南京人，职称：讲师，学历：专科，主要研究方向：工民建。