1 引言

在深度相對(duì)較淺的節(jié)理巖體中進(jìn)行地下開(kāi)挖，最常見(jiàn)的破壞類型是楔形狀(wedge)巖體從頂板上掉落或從側(cè)壁上滑出(片幫)。這些楔形體由相交的構(gòu)造節(jié)理形成，這些構(gòu)造特征將巖塊分隔成離散但又相互交錯(cuò)的塊狀體。當(dāng)隧道開(kāi)挖形成一個(gè)自由面時(shí)，來(lái)自圍巖的約束就會(huì)被消除。如果邊界平面連續(xù)或沿不連續(xù)的巖橋被破壞，那么這些楔塊中的一個(gè)或多個(gè)就會(huì)從表面掉落或滑動(dòng)。

在這種情形下，如果開(kāi)挖寬度太大, 則會(huì)形成多個(gè)楔甚至楔與楔之間形成貫通。除非開(kāi)挖后立即采取支護(hù)措施，否則圍巖的穩(wěn)定性會(huì)迅速惡化。每一個(gè)楔形體，如果允許其掉落或滑動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致巖塊的約束和互鎖減少，這反過(guò)來(lái)又會(huì)使其他wedge掉落。這一破壞過(guò)程將繼續(xù)下去，直到形成巖塊的自然拱或者隧道被掉落的巖塊填滿。離散元程序UDEC和3DEC從數(shù)學(xué)和物理的角度有效地解釋了這種破壞機(jī)理和過(guò)程,參看【GIIC-UDEC操作教程(3)---巷道頂板冒落】。

2 塊體穩(wěn)定性分析方法

與上面描述的連續(xù)破壞過(guò)程不同，在地下開(kāi)挖過(guò)程中，經(jīng)常需要分析孤立楔形體的穩(wěn)定性，顯然，UDEC和3DEC可以直接分析這種剛性楔形體的穩(wěn)定性。在實(shí)踐中，一個(gè)非常有用的分析工具是UnWedge(地下開(kāi)挖巖石楔的穩(wěn)定性分析，V5.013, 12/06/2021)。UnWedge用于確定由結(jié)構(gòu)不連續(xù)的交叉點(diǎn)形成的巖楔穩(wěn)定性，基本的工作機(jī)理是極限平衡法, 可以計(jì)算出楔形體的安全系數(shù)。

關(guān)鍵塊理論能夠分析孤立楔形體的穩(wěn)定性，例如【石根華的Discontinuous Deformation Analysis (DDA)文獻(xiàn)聚合 】和Warburton(1985,1987)。  

[1] Warburton, PM. (1985) A computer program for reconstructing blocky rock geometry and analyzing single block stability. Computers & Geosciences 11(6), 707-712.

[2] Warburton P. M. (1987) Implications of keystone action for rock bolt support and block theory. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. Vol. 24, 283-290.

3 孤立的剛性塊體分析

孤立的剛性塊體穩(wěn)定性分析(Isolated Rigid Body Analysis)是Ghazal提出的算法在3DEC中的改進(jìn)【block analyze-stability】。這種方法計(jì)算位于地下開(kāi)挖表面任何形狀的單一三維剛性塊的穩(wěn)定性。孤立的塊體意味著它單獨(dú)存在于巖體中，忽略了其他塊體的存在。塊體作為剛體進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，并與周圍的連續(xù)巖體進(jìn)行互動(dòng)。塊體在開(kāi)挖之前，最初在其所有面上都受到初始應(yīng)力的作用。該方法包括計(jì)算由于開(kāi)挖過(guò)程(開(kāi)挖面的應(yīng)力釋放)導(dǎo)致的塊體運(yùn)動(dòng)和塊體表面的應(yīng)力變化。

[1] Ghazal, R., F. Hadj-Hassen, and M. Tijani. (2011) “A new numerical method to study isolated blocks around underground excavations taking into account in-situ stresses,” in Proceedings, 45th US Rock Mechanics / Geomechanics Symposium (San Francisco, California, June 2011). Alexandria, Virginia: ARMA.

[2] Ghazal, R., F. Hadj-Hassen, and M. Tijani. (2011) “Stability modelling of isolated rock blocks at the surface of underground excavations taking into account in-situ stresses”. In Proceedings, 12th ISRM Congress (October 2011, Beijing, China), Harmonising Rock Engineering and the Environment Zhou Y, editor.

從理論上講，如果使用"剛性塊"假設(shè)，這種方法求出的安全系數(shù)與3DEC方法求出的安全系數(shù)應(yīng)該相同，然而這個(gè)改進(jìn)對(duì)于安全系數(shù)的計(jì)算更直接，只需要輸入塊體的幾何形狀、連接屬性(kn和ks)和原巖應(yīng)力。通過(guò)計(jì)算塊體面上的安全系數(shù)來(lái)評(píng)估塊體的穩(wěn)定性。

本文下半部分將詳細(xì)分析block analyze-stability命令的使用方法。