非連續(xù)介質(zhì)巖體變形行為的研究

1宏觀變形特征新《奧法》以來，對結(jié)果的分析和反分析一直受到巖石工程專家的關(guān)注。王銀芝等人全面總結(jié)了相關(guān)成果。但是隨著研究的日趨深入，不同學(xué)者發(fā)現(xiàn)基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值方法(有限元法、邊界元法和有限差分法等)已經(jīng)很難模擬巖體的宏觀變形行為，雖然這些方法不同程度地考慮了巖體變形的非連續(xù)性特點(如節(jié)理單元的應(yīng)用等)。鄧建輝等將開挖松動區(qū)作為一種弱化的材料模擬巖體的宏觀變形行為，并取得了較好的效果，但這僅僅是一個特例。正如作者指出的，該方法僅僅適用于沒有優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面控制的塊狀結(jié)構(gòu)巖體，就具體工程而言需要加強巖體的宏觀變形特征研究。從現(xiàn)有資料來看，S.Hibino和M.Motojima是最早對巖體宏觀變形特征進行系統(tǒng)和深入研究的巖石力學(xué)工作者。鄧建輝等利用滑動變形計對三峽船閘高邊坡花崗巖體的變形特征進行了分析。本文則主要結(jié)合水電站地下廠房開挖施工過程中的多點位移計監(jiān)測資料，分析地質(zhì)結(jié)構(gòu)面對巖體變形的控制作用，探討巖體的宏觀變形機制，以期為巖體的不連續(xù)變形分析提供實例依據(jù)，縮短理論預(yù)測值與監(jiān)測值之間的差距。2上分層開采影響監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測方案地下廠房洞室群位于壩軸線下游左岸花崗巖山體中，距岸邊約400m，上覆巖體厚220～360m。圍巖為堅硬的花崗巖，巖體完整，以II,III類圍巖為主。洞室群平行布置，軸線方向N42°E。廠房區(qū)地應(yīng)力水平較高，實測值達27.3MPa，方位角為N54°～84°Eㄢ根據(jù)開挖揭示的地質(zhì)情況，選取的下游墻體段(高程為655.0～697.5m)巖性為花崗巖，微新巖體，次塊狀～塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖大多為II類，但小斷層發(fā)育，包括f(1)，f9(βμ)，f14(βμ)和f18(βμ)等，其中帶βμ符號的為輝綠巖脈斷層。斷層產(chǎn)狀見圖1和2，寬度分別為3～5,30～45,15～600和450cm.樁號0+50～0+150段布置了1,2和3三個監(jiān)測斷面，變形監(jiān)測儀器為多點位移計。斷面3多點位移計布置形式如圖3所示。圖中多點位移計編號約定如下：“M”代表多點位移計，上標“4”表示為四點式多點位移計，下標的第1個數(shù)字表示斷面號，第2個數(shù)字表示多點位移計編號。斷面2只布置了一套多點位移計M42–1,4個測點深度分別為22.5,28.5,34.5和39.5m，最深測點離主變室上游邊墻僅約5m。其他多點位移計的4個測點深度均為5.0,11.0,17.5和24.5m.3巖石變形特征分析變形值的計算選取位于巖體最深點為不動點，變形值約定為拉伸為正，壓縮為負。多點位移計的4個測點由淺到深依次編號為1,2,3,4.3.1高血壓高度變化的變形規(guī)律分別從垂直、水平和深度3個方向分析下游邊墻0+50～0+150m段變形的空間分布特征。圖4為斷面1的孔口變形–時間曲線，位于巖錨梁部位的M14–2監(jiān)測位移增量比拱肩部位的M14–1大35mm左右。其他斷面也存在上述規(guī)律，但變形差異很小。造成上述差異的部分原因是M14–2在主、副廠房下臥開挖過程中，距離開挖面近，受開挖影響大，但主要原因是由巖脈斷層f9(βμ)造成的。高程688m處的3支多點位移計孔口變形–時間曲線見圖5。從圖中可以看出，斷面1,2的變形都大于40mm，而斷面3處只有12mm，相差超過30mm。這種變形差異導(dǎo)致斷面3附近巖錨梁與圍巖之間產(chǎn)生裂縫(圖1)。斷面1,2的測孔剛好穿過巖脈斷層f9(βμ)，斷面3則沒有，所以地質(zhì)上的差異是導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)的主要原因。高程688m處的3支多點位移計沿測孔深度方向變形分布規(guī)律也明顯存在差異(圖1和表1)。測孔M14–2表現(xiàn)為深部變形，主要變形發(fā)生在深為17.5和24.5m的2個測點之間，原因是2點之間剛好有巖脈斷層f9(βμ)通過；測孔M42–1的變形主要發(fā)生在孔口至測點1,3和4之間，見圖1，上述測點之間有巖脈斷層f9(βμ)和f18(βμ)通過；測孔M34–2的4個測點的變形分異現(xiàn)象(位移差值)不顯著，變形分布比較均勻。原因是該測孔的巖體較完整，不存在控制性結(jié)構(gòu)面。3.2根據(jù)監(jiān)測結(jié)果分析主要變結(jié)合開挖施工進度，以多點位移計M42–1為例分析變形的時間特性(見圖6)。圖中變形是按測段整理的?？傮w而言，測點1–2和測點2–3由于沒有巖脈斷層通過，整個開挖施工過程中變形很小。孔口–測點1的變形始于主廠房第IV層開挖，主要變形發(fā)生在第V和第VI層開挖期間。雖然該監(jiān)測孔位于3#和4#母線洞之間，但母線洞開挖對巖脈斷層f9(βμ)的變形影響較小。主變室開挖對該測段的變形影響也很小，即該測段變形主要受主廠房開挖施工影響。測點3–4的變形始于主變室第III層開挖，主廠房、主變室和母線洞的開挖施工均對其變形存在重要影響。理論上講，測點3–4的變形主要反映的是巖脈斷層f18(βμ)的變形，從施工影響程度而言，距離最近的主變室開挖應(yīng)該對其影響最大。但是從監(jiān)測結(jié)果來看，距離較遠的主廠房和主廠房一側(cè)的母線洞開挖對其影響卻最大。由此可見，地下洞室群的變形極為復(fù)雜，相鄰洞室的開挖施工均對圍巖變形存在較大影響。4測點變形與變形速率的關(guān)系從節(jié)3的分析來看，圍巖變形的空間分布特征受地質(zhì)結(jié)構(gòu)面特別是控制性結(jié)構(gòu)面的影響非常顯著。下面結(jié)合高程688m處的3支多點位移計監(jiān)測成果，進一步分析圍巖的變形機制。圖7～9給出了M14–2,M42–1和M34–2的分段變形–時間曲線。從圖中可以看出，監(jiān)測段有無巖脈斷層通過時的變形特征完全不同。M14–2的測點2–3,M42–1的孔口–測點1和測點3–4之間均有巖脈斷層通過，開挖施工過程中測孔的變形基本上由巖脈斷層通過的測段變形構(gòu)成，且變形量級大(厘米級)，其他測段的變形均很小(毫米級)，且發(fā)展緩慢。M34–2的各測段均無巖脈斷層通過，各測段的變形同步緩慢發(fā)展，但量級很小，均為毫米級。由此可見，結(jié)構(gòu)面對巖體變形量級的控制作用非常明顯。應(yīng)用S.Hibino等的“張開位移”和“應(yīng)變位移”概念，有巖脈斷層通過的測段變形可以認為是“張開位移”。M14–2的測點3–4之間的變形值占整個測孔變形的84%左右；M42–1的孔口–測點1和測點3–4分別有f9(βμ)與f18(βμ)穿過，其變形之和占整個測孔變形的92%左右。也就是說，測孔變形值絕大部分由“張開位移”構(gòu)成。結(jié)構(gòu)面對巖體變形的控制性作用揭示了基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的數(shù)值方法的局限性，因此離散類數(shù)值方法(DDA等)在巖體的宏觀變形行為模擬方面具有較大的應(yīng)用前景。5圍巖支護變形主要由結(jié)構(gòu)面的自適應(yīng)開挖和開挖以施工期變形監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，結(jié)合施工和地質(zhì)資料，對地下廠房的圍巖變形特征及其機制進行了分析。主要結(jié)論如下：(1)圍巖變形的空間分布特征受結(jié)構(gòu)面控制作用明顯。不論在水平方向、垂直方向，還是在鉆孔深度方向，變形由于結(jié)構(gòu)面的存在均可能出現(xiàn)分異現(xiàn)象。這種變形不協(xié)調(diào)現(xiàn)象一旦加劇可能導(dǎo)致巖錨梁出現(xiàn)裂縫。(2)鄰近洞室開挖對圍巖變形的影響較為復(fù)雜，距離越近影響越大的一般