岩体结构面网络模拟技术研究进展_贾洪彪
中国地质大学高等岩体力学结构面三维网络模拟结课论文
1 国内外研究现状
Dershowitz 详细总结了岩体结构面的各种几何模型。Irmay 等人提出的正交结构面模型 是最早的岩体结构面几何模型，后来 Schwartz 也曾在工程实践中运用过此模型，但由于对 结构面产状的限制， 很难描述天然岩体的复杂结构面系统。 结构面形态可能随岩体类型和结 构多种多样，国内外学者对结构面形态没有定论。Baecher 提出的圆盘几何模型是迄今为止 最具有代表性的结构面几何模型，自此以后，许多有关结构面网络模拟技术均以 Baecher 圆 盘模型为基础。Dershowitz 等人改进了 Baecher 圆盘模型，把结构面形态由圆盘扩展为等边 或非等边的多边形。 Dershowitz 等人还引入了分形理论研究岩体结构面网络模型，如 Levy-Lee 分形模型。 Robertson 分析了南非的比尔矿 9000 条结构面迹长， 得出结构面走向和 倾向方向迹长具有相同得分布特征， 表明结构面大小在二维方向上是相等的， 结构面面可能 为圆盘形状，Zhang 和 Einstein 也在文献中做出了相同的判断。 岩体结构均质区划分是岩体结构面网络模拟研究中的重要内容， 旨在找出相似结构岩体 边界。1983 年，Miller 在数学地质上发表的论文中提出，采用概率论中的关联表和 Schmidt 等面积投影网结合的办法， 成功的用结构面产状进行了岩体结构均质区划分。 实际应用中用 等面积投影来判定岩体结构均质区很困难，Kulatilake P. H. S.W.等人运用修正的 Miller 的方 法对三峡工程永久船闸附近隧道进行岩体结构均质区划分， 取得很好效果； 后来 Kulatilake P. H. S. W. 等人又引入分形理论对结构均质区划分进行研究。 范留明等人根据结构面发育的主 要特点以及工程实际需要， 提出了一种基于结构面密度的岩体结构均质区划分方法， 即密度 分区方法，并应用于西南某大型水电站工程中，证明了该方法的可行性。 结构面几何特征,如结构面产状、结构面大小、结构面间距和结构面密度的研究和分析 是岩体结构面三维网络模拟的重要内容。结构面产状反映了结构面空间方位,产状在空间方 位可由倾向和倾角来定义。 1941 年美国麻省理工学院的 Arnold 在其博士论文“球面上可能的 分布”里提出了产状球状分布特点。后来，1964 年 Bingham 在博士论文“球面及投影平面上 的分布”提出了著名的 Bingham 分布，认为产状数据是关于其平均矢量的椭圆对称分布的理 论。与 Bingham 不同，Fisher 分布表明产状数据在半球分布中关于其平均矢量的圆对称分 布，和 Bingham 分布一样，他们都采用了 χ2 检验法作为判断准则。以往在估计结构面产状
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第五章 结构面的变形与强度性质
第五章结构面的变形与强度性质第一节概述在岩体稳定性和地下水渗流分析中，通常把岩体视为岩块(结构体)与结构面组成的割裂体。
在国内外已建和在建的岩体工程中普遍存在有软弱夹层问题。
如黄河小浪底水库工程左坎肩砂岩中由薄层粘土岩泥化形成的泥化夹层；葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层，还有长江三峡自然岸坡中的各种软弱夹层等。
都不同程度地影响和控制着所在工程岩体的稳定性。
因此，岩体结构面力学和水力学性质的研究，是岩体力学和工程地质学中重要的研究课题之一，其中结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具有十分重要的实际意义，这主要有以下几方面的原因。
(1)大量的工程实践表明：在工程荷载(一般小于10MPa)范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。
如法国的马尔帕塞坝坝基岩体、意大利瓦依昂水库库岸滑坡、中国拓溪水库塘岩光滑坡等等，都是岩体沿某些软弱结构面滑移失稳而造成的。
这时，结构面的强度性质是评价岩体稳定性的关键。
(2)在工程荷载作用下，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组分，控制着工程岩体的变形特性。
(3)结构面是岩体中渗透水流的主要通道。
在工程荷载作用下，结构面的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。
因此，预测工程荷载作用下岩体渗透性的变化，必须研究结构面的变形性质及其本构关系。
(4)工程荷载作用下，岩体中的应力分布也受结构面及其力学性质的影响。
由于岩体中的结构面是在各种不同地质作用中形成和发展的。
因此，结构面的变形和强度性质与其成因及发育特征密切相关。
结构面的成因类型及其特征在第二章第二节中已有详细介绍，本章主要讨论结构面的变形与强度性质。
结构面的变形与强度性质主要通过室内外岩体力学试验进行研究。
第二节结构面的变形性质一、结构面的法向变形性质(一)法向变形特征在同一种岩体中分别取一件不含结构面的完整岩块试件和一件含结构面的岩块试件。
然后，分别对这两种试件施加连续法向压应力，可得到如图5-1所示的应力 变形关系曲线。
结构面三维网络模拟在岩体质量评价中的应用_汪斌
第27卷第4期 岩 土 力 学 V ol.27 No.4 2006年4月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2006收稿日期：2004-06-16 修改稿收到日期：2004-07-13作者简介：汪斌，男，1977年生，博士研究生，主要从事工程岩体稳定性评价和数值模拟方面的研究工作。
E-mail: cugwangbin@文章编号：1000－7598－(2006) 04―0594―03结构面三维网络模拟在岩体质量评价中的应用汪 斌1，唐辉明1，简文星1，张显书1,2(1. 中国地质大学 工程学院，武汉 430074；2. 贵州省水利水电勘测设计研究院，贵阳 550002)摘 要：岩石质量指标RQD 是反映工程岩体完整程度的定量参数，广泛用于水利水电、矿山、地下工程、交通工程等岩体稳定性评价，但是传统的RQD 定义不能满足实际工程岩体各相异性要求。
针对贵州黔中水利枢纽工程拱坝坝基岩体结构面特征，利用Monte-Carlo 法在计算机上生成岩体节理三维网络图，建立了模拟计算不同阀值t 的岩石质量指标RQD t 的计算机模拟方法。
该方法能较真实客观地描述岩石质量。
关 键 词：岩体质量指标；工程岩体；Monte-Carlo 模拟；各相异性 中图分类号：TU 45 文献标识码：AApplication of 3D network modeling rock mass discontinuities toevaluating rock mass quality for dam foundationWANG Bin 1, TANG Hui-ming 1, JIAN Wen-xing 1, ZHANG Xian-shu 1,2(1. Engineering Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Guizhou Institute of Hydroelectric Survey and Design, Guiyang 550002, China)Abstract: Rock quality designation (RQD ) is a quantitative parameter that used to reflect the degree of integrality of engineering rock mass. And it has been applied to assess the stability of rock slope in the field of water resources and hydropower engineering, mining, underground engineering, transportation engineering. However, the traditional RQD definition isn’t able to take into account the anisotropy of the engineering rock mass. Aiming at the structural properties of the arch dam of Qianzhong Hydraulic Project in Guizhou Province, and based on the joint network of rock mass simulated by the computer with Monte-Carlo method, a method of deciding RQD t under different threshold values is proposed. Many engineering practices have validated that this method is able to reflect the engineering rock mass quality objectively.Key words: rock quality designation; engineering rock mass; Monte-Carlo stimulation; anisotropy1 引 言岩体质量的好坏直接关系到岩体的工程特性和稳定性，在大型工程建设中的岩体质量评价中具有重要意义。
考虑损伤修正的岩石统计损伤本构模型研究
考虑损伤修正的岩石统计损伤本构模型研究杨宇生;尹前锋;丰丛杰;贾洪彪【摘要】为研究岩石本构关系,基于连续损伤理论和统计强度理论,考虑岩石内部存在随机分布的微裂隙等缺陷,对Harris函数进行改进作为岩石微元强度概率密度分布函数,考虑岩石材料的渐进破坏性,提出了损伤变量修正系数δ,以岩石轴向应变作为微元强度随机分布变量,建立岩石损伤统计本构模型,运用曲线拟合法,结合相关试验参量,确定模型参数.通过对比实验数据点与本构模型曲线,验证该模型的合理性和可行性,并探讨损伤变量修正系数的不同取值对本构模型的影响,为理论研究和实际工程提供参考.【期刊名称】《安徽理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(038)004【总页数】5页(P70-74)【关键词】岩石;损伤;损伤变量修正系数;本构模型【作者】杨宇生;尹前锋;丰丛杰;贾洪彪【作者单位】中国地质大学工程学院,湖北武汉 430074;中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049;中国地质大学工程学院,湖北武汉 430074;中国地质大学工程学院,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TU45岩石是一种复杂的天然地质材料，由于岩石内部常包含大量随机分布的微裂隙等缺陷，使得岩石材料具有明显的各向异性和渐进破坏性[1]。
近年来，基于连续损伤理论和统计强度理论的岩石损伤本构模型研究取得了很大的进展，成为研究岩石本构关系的主流。
文献[2]首次将连续损伤理论与统计强度理论结合，提出了损伤模型，开启了在岩石损伤本构模型方向上的探究之旅。
文献[3]在前人的基础上，提出了将轴向应变作为统计分布变量的观点，对岩石损伤破裂过程进行了研究，为后续的研究奠定了基础。
文献[4]首次提出岩石微元强度的概念，并以岩石微元强度服从Weibull分布为出发点，基于屈服准则建立了岩石损伤本构模型。
文献[5]提出基于正态分布的岩石微元强度，以此建立了新的岩石损伤本构模型。
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第六章 岩体的力学性质PPT课件
当σ3接近于σmc时，可视为各向同性体。
09.08.2020
土木工程专业课程——《岩体力学》
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第六章 岩体的力学性质
静力法的基本原理：在选定的岩体表面、 槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测 定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变 形关系曲线，计算出岩体的变形参数。
动力法的基本原理：用人工方法对岩体 发射(或激发)弹性波(声波或地震波)，并 测定其在岩体中的传播速度，然后根据 波动理论求岩体的变形参数。
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第六章 岩体的力学性质
2、剪切变形曲线
峰值前曲线平均斜率小，破坏位移大；峰值后应 力降很小或不变。多为沿软弱结构面剪切。
峰值前曲线平均斜率较大，峰值强度较高。峰值 后应力降较大。多为沿粗糙结构面、软弱岩体及 剧风化岩体剪切。
峰值前曲线斜率大，线性段和非线性段明显，峰 值强度高，破坏位移小。峰值后应力降大，残余 强度较低。多为剪断坚硬岩体。
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第六章 岩体的力学性质
二、岩体变形参数估算
一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩 体地质力学模型，利用室内小试件试验资料来 估算。
二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上， 建立岩体分类指标与变形参数之间的经验关系， 并用于变形参数估算。
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岩体剪应力(τ)-剪位移(u)曲线及法向应力(σ)法向变形(W)曲线。
剪切强度曲线及岩体剪切强度参数Cm，φm值
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各 类 岩 体 的 剪 切 强 度 参 数 表
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第六章岩体的力学性质
第六章岩体的力学性质第一节概述岩体的力学性质与岩块有显著的差别。
一般情况下，岩体比岩块易于变形，其强度也显著低于岩块的强度。
造成这种差别的根本原因在于岩体中存在各种类型不同、规模不等的结构面，并受到天然应力和地下水等环境因素的影响。
正因为如此，岩体在外力的作用下其力学属性往往表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性。
所以，无论在什么情况下，都不能把岩体和岩块两个概念等同起来。
另外，人类的工程活动都是在岩体表面或岩体内部进行的。
因此，研究岩体的力学性质比研究岩块力学性质更重要、更具有实际意义。
岩体的力学性质，一方面取决于它的受力条件，另一方面还受岩体的地质特征及其赋存环境条件的影响。
其影响因素主要包括：组成岩体的岩石材料性质；结构面的发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件。
其中结构面的影响是岩体的力学性质不同于岩块力学性质的本质原因。
实践表明：研究岩体的变形与强度性质是岩体力学的根本任务之一。
因此，本章将主要讲述岩体的变形与强度性质，同时对岩体的动力学性质及水力学性质也作一简要介绍。
第二节岩体的变形性质岩体变形是评价工程岩体稳定性的重要指标，也是岩体工程设计的基本准则之一。
例如在修建拱坝和有压隧洞时，除研究岩体的强度外，还必须研究岩体的变形性能。
当岩体中各部分岩体的变形性能差别较大时，将会在建筑物结构中引起附加应力；或者虽然各部分岩体变形性质差别不大，但如果岩体软弱抗变形性能差时，将会使建筑物产生过量的变形等。
这些都会导致工程建筑物破坏或无法使用。
由于岩体中存在有大量的结构面，结构面中还往往有各种充填物。
因此，在受力条件改变时岩体的变形是岩块材料变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物压密及结构体转动和滑动等变形。
在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。
目前，岩体的变形性质主要通过原位岩体变形试验进行研究。
一、岩体变形试验及其变形参数确定原位岩体变形试验，按其原理和方法不同可分为静力法和动力法两种。
岩体结构特征与结构面网络模拟
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整体状结构
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块状结构
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1、岩体的变形受控于岩体结构
• 发育于岩体中的结构面，是抵抗外力的薄弱环节。 软弱结构面是岩体变形破坏的重要控制因素或边界。 • 岩体变形与连续介质变形明显不同，并且结构面变 形起到控制作用。因此，岩体的变形主要它由结构体 变形与结构面变形两部分构成。 • 块状结构岩体变形主要沿贯通性结构面滑移形成； 碎裂状结构岩体变形则由Ⅲ、Ⅳ级结构面滑移及部分 岩块变形构成；只有完整岩体的变形才受控于组成岩 体的岩石变形特征。
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2）层状结构 矿区内多数岩体属于 此种结构类型。该类 岩体具有清楚的层面， 其力学特征各向异性 明显，岩体的变形和 破坏一般受层面、层 间错动带和软弱夹层 的控制。
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Hale Waihona Puke 243）碎裂结构碎裂结构的岩体完整性差，呈规则和不规则的碎块状，此 系遭受层面、节理面、裂隙面、劈理面等不连续面交错切割 所至。
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层状结构
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碎裂状结构
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岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第一章 绪 论
第一章绪论第一节岩体力学与工程实践岩体力学(rockmass mechanics)是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
岩体力学的研究对象是各类岩体，而服务对象则涉及到许多领域和学科。
如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂(如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂等)以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。
但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。
概括起来，可分为三个方面：①为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。
②为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。
③为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。
以上三方面的研究虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。
本书主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。
在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。
以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。
然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。
其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。
岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。
一种基于编网算法的岩体结构面优势产状聚类分析方法[发明专利]
![一种基于编网算法的岩体结构面优势产状聚类分析方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/1d573a4ea36925c52cc58bd63186bceb18e8ed4d.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911085988.5(22)申请日 2019.11.08(71)申请人 宁波大学地址 315211 浙江省宁波市江北区风华路818号(72)发明人 雍睿 杜时贵 刘文连 杨晓杰 胡云进 王秀庆 郑荣跃 (74)专利代理机构 杭州斯可睿专利事务所有限公司 33241代理人 王利强(51)Int.Cl.G06F 17/16(2006.01)G06K 9/62(2006.01)(54)发明名称一种基于编网算法的岩体结构面优势产状聚类分析方法(57)摘要一种基于编网算法的岩体结构面优势产状聚类分析方法，包括以下步骤：(1)野外选定需要分析的工程岩质边坡；(2)将结构面产状进行极坐标转换并投影到球形空间中；(3)采用结构面单位法向量间所夹锐角正弦值的平方计算产状样本间的相似程度r ij ，构造结构面产状的模糊相似矩阵R；(4)对结构面产状的模糊相似矩阵R进行改造；(5)对改造后的模糊相似矩阵R构造结构面产状的λ截矩阵R λ；(6)对结构面产状的截矩阵R λ进行改造；(7)对改造后的截矩阵R λ进行结构面产状的聚类分组；(8)根据结构面产状的聚类结果，计算不同分组数下的有效性评价指标，结合工程实际确定最佳分组数，获得结构面优势产状。
本发明使分组结果更加合理，优势产状更加符合客观实际。
权利要求书2页 说明书6页 附图5页CN 111027016 A 2020.04.17C N 111027016A1.一种基于编网算法的岩体结构面优势产状聚类分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)野外选定需要分析的工程岩质边坡，通过测量手段尽可能多的对其进行系统测量以获得足够的结构面产状数据；(2)将结构面产状进行极坐标转换，并投影到球形空间中，采用其单位法向量在三维笛卡尔坐标中进行表示，任意结构面的单位法向量表示为N＝(x1，x2，x3)，其中，x1＝cosα·sinβ，x2＝sinα·sinβ，x3＝cosβ，α表示结构面的倾向，β表示结构面的倾角；(3)采用结构面单位法向量间所夹锐角正弦值的平方计算产状样本间的相似程度r ij，i ＝1，2，...，n；j＝1，2，...，n；n为结构面产状总样本数，并构造结构面产状的模糊相似矩阵R，其中R＝(r ij)n×n；(4)对结构面产状的模糊相似矩阵R进行改造，因其具有对称性，删除对角线上方的所有元素，并以被分类对象的序号O i替换对角线上的元素；(5)选取结构面产状的置信水平λ，对改造后的模糊相似矩阵R构造结构面产状的λ截矩阵Rλ，其中Rλ＝(rλij)n×n；(6)对结构面产状的截矩阵Rλ进行改造，在对角线下方，以节点号“*”替换“1”，并忽略Rλ中的所有“0”；(7)对改造后的截矩阵Rλ进行结构面产状的聚类分组，由节点“*”向对角线上引经线和纬线，经过同一节点被经纬线连接在一起的产状样本归为一组，由此实现分类；(8)根据结构面产状的聚类结果，计算不同分组数下的有效性评价指标V XB，并结合工程实际确定最佳分组数，获得结构面优势产状。
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第九章边坡岩体稳定性分析
第九章边坡岩体稳定性分析第一节概述斜坡(slope)是天然斜坡和人工边坡的总称。
前者是自然地质作用形成未经人工改造的斜坡，这类斜坡在自然界特别是山区广泛分布，如山坡、沟谷岸坡等等；后者经人工开挖或改造形成，如露天采矿边坡、铁路公路路堑与路堤边坡等等。
另外，按岩性又可将边坡分为土质边坡和岩质边坡。
本章以讨论人工开挖的岩质边坡稳定性为主。
斜坡的变形与破坏常给人类工程活动及生命财产带来巨大的损失。
例如，1982年7月，四川省云阳鸡扒子发生滑坡，滑体规模1 500万立方米，其中，前缘180万立方米的土石体被推入长江，严重碍航。
该滑坡还使大量农田、房屋被毁，造成了巨大的经济损失。
又如，1980年6月发生的湖北远安盐池河山崩，规模约100万立方米，造成284人死亡，损失惨重。
再如1963年发生在意大利的瓦依昂水库库岸滑坡，其总方量达2.5亿立方米，滑坡造成2 500多人死亡，水库也因此而失效。
除自然斜坡变形破坏外，人工边坡的变形破坏也常有发生，主要见于大型水利水电工程边坡、铁路路堑及露天采矿边坡。
如抚顺煤矿和大冶铁矿的露天采坑，都曾发生过失稳事故，对生产和生命财产造成损失。
由于边坡失稳，特别是自然大型斜坡失稳的危害巨大，因此，世界各国都非常重视，我国政府有关部门已将其列入重大地质灾害之一，进行重点研究。
边坡在其形成及运营过程中，在诸如重力、工程作用力、水压力及地震作用等力场的作用下，坡体内应力分布发生变化，当组成边坡的岩土体强度不能适应此应力分布时，就要产生变形破坏，引发事故或灾害。
岩体力学研究边坡的目的就是要研究边坡变形破坏的机理(包括应力分布及变形破坏特征)与稳定性，为边坡预测预报及整治提供岩体力学依据。
其中稳定性计算是岩体边坡稳定性分析的核心。
目前，用于边坡岩体稳定性分析的方法，主要有数学力学分析法(包括块体极限平衡法、弹性力学与弹塑性力学分析法和有限元法等)、模型模拟试验法(包括相似材料模型试验、光弹试验和离心模型试验等)及原位观测法等。
岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第八章地下洞室围岩稳定性分析
第八章地下洞室围岩稳定性分析第一节概述地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。
从围岩稳定性研究角度来看，这些地下构筑物是一些不同断面形态和尺寸的地下空间。
较早出现的地下洞室是人类为了居住而开挖的窑洞和采掘地下资源而挖掘的矿山巷道。
如我国铜绿山古铜矿遗址留下的地下采矿巷道，最大埋深60余米，其开采年代至迟始于西周(距今约3000年)。
但从总体来看，早期的地下洞室埋深和规模都很小。
随着生产的不断发展，地下洞室的规模和埋深都在不断增大。
目前，地下洞室的最大埋深已达2 500m，跨度已超过30m；同时还出了多条洞室并列的群洞和巨型地下采空系统，如小浪底水库的泄洪、发电和排砂洞就集中分布在左坝肩，形成由16条隧洞(最大洞径14.5m)并列组成的洞群。
地下洞室的用途也越来越广。
地下洞室按其用途可分为交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型。
按其内壁是否有内水压力作用可分为有压洞室和无压洞室两类。
按其断面形状可分为圆形、矩形、城门洞形和马蹄形洞室等类型。
按洞室轴线与水平面的关系可分为水平洞室、竖井和倾斜洞室三类。
按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类。
另外，还有人工洞室、天然洞室、单式洞室和群洞等类型。
各种类型的洞室所产生的岩体力学问题及对岩体条件的要求各不相同，因而所采用的研究方法和内容也不尽相同。
由于开挖形成了地下空间，破坏了岩体原有的相对平衡状态，因而将产生一系列复杂的岩体力学作用，这些作用可归纳为：(1)地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。
(2)在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。
如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。
(3)围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。
岩体结构面网络三维模拟的工程应用研究
• 979 •
通率较低(0.35)，其他测段连通率较高，都在 0.60 以上，最高达 0.87。这说明大多数结构面是相互连 通的，故组合成隔离体的可能性很大。
(4) 根据搜索的结果，未来边坡存在较多的楔 形体，但规模比较小，体积大多在 1 m3 左右，几乎 就是通常所说的“岩块”，个别体积稍大，体积 3～ 5 m3。因此，边坡可能的破坏形式应为浅表层的掉 块、塌落，加固措施应以浅表层岩块的加固为主， 可采用喷锚网加固方案。由于岩块块度为 1 m 左右， 因此锚杆长度可选择 3 m 左右。由于第 3 测段岩体 质量较好，锚杆间距可适当放大；第 4 测段岩体质 量较差，锚杆间距可适当缩小，锚杆长度也要适当 加大。
与估算 RQD 值一样，在网络图中布置“测线”， 统计与其相交的结构面，可以估算线密度。当然， 其大小也随测线方位的变化而不同。 3.1.3 体积 RQD 值的估算
计算岩体体积 RQD 值实际上就是要确定结构 面体密度，即单位体积岩体内结构面数量。在平 时，只能把岩体简化为某种规则模型来估算，但误 差 较 大 ， 尤 其 结 构 面 组 数 较 多 时 更 是 如 此 [3] 。 利 用三维模拟，很容易确定某一体积岩体内结构面的
贾洪彪等. 岩体结构面网络三维模拟的工程应用研究
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y/m
11 10
9 8 7 6 5 4 3
2
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 x/m
图 2 结构面网络切面图
Fig.2 2-D discontinuity network
分为“控制性结构面”和“一般结构面”。控制性 结构面包括断层、软弱夹层等数量少、有一定规 模、对岩体性质及稳定性影响显著的结构面。对 于大多数工程岩体，仅含有有限的控制性结构面， 在模拟时把它们视作特定的，不进行一般的随机 模拟[2]，而是直接在相应位置进行添补。
岩体随机结构面三维网络的生成和可视化技术
第26卷第12期岩石力学与工程学报V ol.26No.12 2007年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2007岩体随机结构面三维网络的生成和可视化技术李新强1，杨松青2，汪小刚1(1. 中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京 100044；2. 新疆水利水电勘测设计研究院地质勘察研究所，新疆乌鲁木齐 830091)摘要：在总结随机结构面网络模拟研究关于结构面三维网络生成和可视化成果的基础上，假定结构面为Baecher 圆盘形，考虑结构面大小、位置、产状、隙宽等要素，采用泊松随机过程生成随机结构面网络的样本单元。
其中较为详细地介绍了利用结构面的空间几何关系获得结构面网络的交会信息方法，利用FORTRAN90编程语言编制生成三维结构面(渗流)网络的专用程序FRCGEN-3D，该程序也适用于三维结构面网络模拟研究岩体楔形体稳定和连通率求解问题。
为使复杂的三维结构面空间几何关系得到展示，进一步借用OPEN GL强大的图形处理编程功能，在此基础上完善了一套完整的三维结构面网络模拟专用的可视化系统V-FNW。
该可视化系统具有交互界面和三维图形渲染、旋转、交切等功能，为结构面网络模拟研究岩石力学和裂隙网络水力学提供了一个可视化平台，具有相对广泛的应用价值和研究价值。
关键词：岩石力学；结构面；三维网络；计算机模拟；可视化中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)12–2564–06GENERATION AND VISUALIZATION TECHNOLOGIES OF THREE-DIMENSIONAL NETWORK OF ROCKMASS STOCHASTICSTRUCTURAL PLANELI Xinqiang1，YANG Songqing2，WANG Xiaogang1(1. Department of Geotechnical Engineering，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100044，China；2. Department of Geological Exploration，Xinjiang Institute of Reconnaissance Ssurvey and Design of Water Resources andHydropower，Urumqi，Xinjiang830091，China)Abstract：Based on the research work on generation and visualization of three-dimensional stochastic fracture network simulation，a new three-dimensional stochastic fracture network model is established. It is assumed that the fracture shape of the model is a Baecher disc，the distribution is stochastic，and the correlativity of dimension，location，orientation and aperture of all fractures is independent. Based on these，a sample element of a three-dimensional structural plane network is generated separately by Poisson stochastic process. The spatial geometrical intersection information of the fractures and the boundary sides is discussed in detail. As a result，a program named FRCGEN-3D for three-dimensional stochastic fracture network of flow is developed by the FORTRAN90. To visualize the three-dimensional network model and check the data conveniently，a new specialized visualization system called V-FNW is developed with OPEN GL tools in Visual C++，which is powerful and famous for graph process. The system V-FNW shows interactive interface with three-dimensional graph rendering，rotation and intersection. Finally，an example of a stochastic model with a set of specific data is given；and the result is reasonable. It provides a visual platform of fracture network simulation for rock mechanics and rock hydromechanics，which is very important and valuable in the further research.Key words：rock mechanics；structural plane；three-dimensional network；computer simulation；visualization收稿日期：2007–04–04；修回日期：2007–06–05基金项目：国家自然科学基金重点项目(50539100)；国家自然科学基金资助项目(50509027)作者简介：李新强(1972–)，男，2005年于中国水利水电科学研究院岩土工程专业获博士学位，现任高级工程师，主要从事岩土工程、渗流计算分析方面的研究工作。
岩体结构面网络模拟简略步奏
图 4-11 Ⅱ组半迹长频率直方图
图 4-12 Ⅲ组半迹长频率直方图
通过统计分析得到三组结构面概率分布特征参数为：
组别 第一组
统计参量 倾向 倾角
概率分布模型 正态分布 正态分布
均值/° 均值/°
概率模型特征参数
96.43
方差/°
33
方差/°
11.36 2.16
第二组 第三组
其中结构面模型区尺寸为 15m×10m×10m,在 AUTOCAD 中共生成 147 个结构面三维 实体，实体模型、各个平面的网络图为从被模拟的整个节理岩体中截取的一部分，在网络图 中模拟钻探岩芯，统计大于 10cm 岩芯占总钻进的百分比，得到各个方向的 RQD 值，绘制 RQD 玫瑰花图，并作出 RQD 频率直方图。
图 4-13 结构面的三维网络实体模型
北偏东 33.69°
北偏东 33.69°
图 4-14 结构面网络图
33.69°
图 4-15 结构面网络图 图 4-16 第一组岩芯取样分布直方图
图 4-17 第二组岩芯取样分布直方图 图 4-18 第三组岩芯取样分布直方图
五、
侧线 4-1 结构面现场统计图
4.1 结构面分组
使用结构面分析软件DIPS生成测线2处结构面走向玫瑰花图及结构面极点图。在玫瑰花 图，结构面极点图的基础上，结合该露头结构面地质成因分析，将该组要出露有三组优势结 构面：Ⅰ组，层面，产状范围为85°~110°∠30°~36°；Ⅱ组，节理，产状范围为243° ~276°∠67°~85°；Ⅲ组，节理，产状范围164°~170°∠74°~90°。
d
L
n cos
多测线结构面线密度
（1）
岩体结构面网络计算机模拟及其工程应用研究
岩体结构面网络计算机模拟及其工程应用研究汪小刚贾志欣中国水利水电科学研究院岩土工程研究所摘要本文简要介绍了作者在近几年科研工作实践中，将岩体结构面网络模拟原理应用于解决岩质边坡稳定分析相关问题的主要研究和应用成果。
关键词：网络模拟 岩质边坡1 前 言岩体中不同地质成因、呈随机分布的各类不连续结构面（如断层、破碎带、节理等）相互交切，形成了特定的岩体结构，使得岩体的工程力学特性变得十分复杂，以至于已有的确定性方法已无法描述这样的复杂程度，不得不借助于非确定性的分析手段来解决问题。
目前应用较为广泛的就是使用随机的方法来定义岩体结构面体系的几何特性[1,2,3]，这类方法的最初研究包括：（1）基于概率统计理论的现场结构面样本资料的系统化量测和统计分析方法；（2）应用随机模拟理论（蒙特卡罗模拟法）的计算机再现模拟。
在过去几年里，国内外不少学者都致力于这方面的研究，并已逐步形成了一个专门的领域--岩体结构面网络计算机模拟。
概括起来讲，岩体结构面网络计算机模拟就是通过现场大量结构面的样本测量和室内统计分析，建立结构面几何参数的概率统计模型，进而应用蒙特卡洛模拟原理，在计算机上形成与现场结构面具有相同统计特性、表征结构面空间分布特征的节理网络图像，并进一步在模拟图像上研究我们所关心的岩石力学问题。
虽然该方法建立在随机模拟的基础上，每一次随机生成的网络模拟图像并不代表岩体结构面的真实图像，但根据蒙特卡洛模拟原理，随着模拟次数的增加，在网络图像上获得的有关信息的平均值，将逐步逼近该信息的真实值。
本文作者结合国内一些大型水电工程（如三峡、小浪底、龙滩、小湾等）建设中的科研课题，对这门学科在边坡稳定分析领域的应用做了大量探索性的工作，本文将简要介绍有关这方面的成果。
2 岩体结构面几何参数的概率统计模型建立岩体结构面几何参数的概率统计模型是进行结构面网络模拟的前提和基础。
岩体结构面的空间分布特征主要由结构面的倾向、倾角、隙宽（开度）和迹长（延伸长度）等几何参数所决定。
岩体力学地质大学贾洪彪第四章岩块变形与强度性质
第四章岩块的变形与强度性质第一节概述如第二章所述，岩体是由岩块和结构面组成的。
因此，我们研究岩体的力学性质，首先要研究岩块的力学性质。
不仅如此，在某种特定条件下，如岩体中结构面不发育，岩体呈整体状或块状结构时，岩块的变形与强度性质，往往可以近似地代替岩体的变形与强度性质；这时岩体的性质与岩块比较接近，常可通过岩块力学性质的研究外推岩体的力学性质，并解决有关岩体力学问题。
另外，岩块强度还是评价建筑材料和岩体工程分类的重要指标。
因此，开展对岩块变形与强度性质的研究，必然有助于更全面深入地了解岩体的力学性质。
岩块的力学性质研究，主要通过室内岩块试验方法进行。
根据岩块、岩体的应力应变及时间之间关系，可将其力学属性作如下划分。
弹性(elasticity) 在一定的应力范围内，物体受外力作用产生全部变形，而去除外力(卸荷)后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质，称为弹性。
产生的变形称为弹性变形，并把具有弹性性质的物体称为弹性介质。
弹性按其应力-应变关系又可分为两种类型：即线弹性或虎克型弹性(或称理想弹性)(图4-1(a))，应力-应变呈直线关系，以及应力应变呈非直线的非线性弹性。
实际上，理想的弹性岩体是根本不存在的。
因此，利用弹性理论解决岩体力学问题时，必须注意这种理论的使用条件，以及由于使用条件与实际岩体性状之间的差别可能造成的误差。
图4-1材料的变形性状示意图塑性(plasticity) 物体受力后产生变形，在外力去除(卸荷)后不能完全恢复原状的性质，称为塑性。
不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。
当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形和塑性变形就难以区别了。
在外力作用下只发生塑性变形，或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物体，称为塑性介质。
理想塑性材料的应力-应变关系如图4-1(b)所示，当应力低于屈服应力σs时，材料表现为弹性，应力达到屈服应力后，变形不断增大而应力不变，应力-应变曲线呈水平直线。
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岩体结构面网络模拟技术研究进展贾洪彪 唐辉明 刘佑荣(中国地质大学工程学院,湖北武汉,430074)摘 要:主要介绍了岩体结构面网络模拟技术的研究进展。
通过近期的研究,结构面网络模拟技术得到了进一步的完善与发展,特别是三维模拟技术的出现使岩体结构面网络模拟技术更加实用,表现出比二维模拟更大的优势,可以较好地解决空间岩体力学问题,具有良好的应用前景。
关键词:岩体;结构面网络;网络模拟技术;进展中图分类号:P611;P595 文献标识码:A 文章编号:1000-7849(2001)01-0105-04 岩体结构面网络模拟是根据结构面发育具有随机性的特征,依据统计学原理,采用M onte Ca rlo随机模拟方法在计算机上进行模拟。
这一技术发展至今,已有近20年的历史,对岩体力学的研究、发展及工程应用起到了很大的推动作用[1]。
通过模拟,可以由局部到整体、“由表及里”,了解在一般情况下难以观察、测量到的岩体内部结构面的发育情况,确定岩体的结构特征。
它被积极地运用到工程实践中,有效地解决了一系列与工程岩体结构性质有关的问题。
多年来,很多学者对它进行了认真、细致的研究,使之不断发展与完善。
现将近期研究的主要进展介绍如下。
1 三维模拟在以往的研究中,重点是进行岩体结构面网络的二维模拟。
近年来,结构面网络三维模拟的研究得到了重视与发展[2]。
1.1 三维模拟的优势岩体结构面网络三维模拟与二维模拟相比有着明显的优势。
主要体现在以下几个方面:①三维网络图具有空间立体感,对工程岩体问题的判断更客观、全面;②在二维模拟的同一地点各方向的网络图中,各条结构面难以一一对应。
而在通过三维网络图自动生成的各切面图中,结构面能一一对应,可以组合成各种空间模型;③三维模拟可以很好地解决空间问题,如地下洞室围岩的滑移、垮落;岩质边坡的崩塌等问题。
1.2 三维模拟的方法岩体结构面网络三维模拟的具体步骤如下。
(1)结构面的野外采样 这是保证模拟精度的重要环节,只有按统计学的要求量测到一定数量的结构面,才能进行有效的模拟。
(2)结构面概率模型的建立 结构面的发育具随机性,其特征参数都遵循一定的概率分布形式,一旦确定出它们的分布形式就可以得到结构面的概率模型。
(3)结构面三维网络的模拟 采用M onte Ca r-lo随机模拟方法,生成遵循预定概率分布形式的随机数序列,对结构面各特征参数分别进行模拟,可以得到结构面三维网络图(图1),其流程见图2。
(4)结构面网络切面图的生成 为了更好地从不同角度对岩体的结构特征进行研究,可以从三维网络图中自动生成所需要的切面图(图3)。
图1 结构面网络三维图(单位:m)F ig.1 3-D discontinuity netw ork⒇收稿日期:2000-09-21 编辑:曲梅兰作者简介:贾洪彪,男,1969年12月生,讲师,主要从事岩土工程专业的教学与科研工作图2 结构面网络三维模拟程序框图Fig.2 Flow diag ram of3-D discon tin uity netwo rk modeling图3 由图1得到的结构面网络切面图(单位:m)Fig.3 Netwo rk ch arts of apiece s ection from Fig.12 工程应用自从结构面网络模拟技术问世,大家就注重对它的工程应用进行研究。
在国内,很多工程中都运用这一方法来解决相应的岩体力学问题。
从岩体结构的评价到岩体结构面形态参数的确定;从岩体滑移面的搜索到地下洞室围岩稳定性的分析;从岩体强度的估算到岩体渗透性能的评价,应用的领域很广泛。
在长江三峡工程、黄河小浪底工程等大型工程中都得到了应用。
现在人们仍然不断对它进行完善、拓展,进一步发挥这项技术的应用价值。
例如庞作会等[3]在结构面模拟的基础上进行了数值计算的网格自动剖分,王建峰等在1997年进行了危险滑移面的搜索,王渭明[4]对地下洞室围岩的“危石”进行了预测。
甚至有学者尝试把结构面模拟与分维理论结合起来,进行体积RQD值。
具体方法是先计算出结构面的体密度,再利用体密度与体积RQD值的倒数关系得到岩体体积RQD值。
2.3 岩体裂隙率的确定笔者提出用岩体裂隙来表征岩体裂隙化程度,并将它定义为单位体积的岩体所包含的裂隙的总面积(m-1)。
由定义可以看出,岩体裂隙率既与结构面密度有关,又与结构面规模有关。
因此,岩体裂隙率综合反映岩体中结构面发育的情况,它不仅反映结构面数量的多少,也反映结构面规模的大小。
于是,可以用它来衡量岩体的完整性,用于岩体质量的评价。
表1列出了用岩体裂隙率评价岩体完整性的方案。
表1 用岩体裂隙率进行的分类Table1 Ro ck classification with r ock cranny r atio岩体裂隙率/m-10～55～1010～2525～50>50裂隙发育程度不发育较不发育一般发育发育很发育岩体完整性完整较完整较破碎破碎极破碎在通常条件下,岩体裂隙率不容易直接测定,而利用岩体结构面网络三维模拟可以非常容易地确定。
当然,同样也可以确定出岩体面裂隙率(单位面积内所包含的裂隙的总迹长)。
2.4 隔离体的搜索工程岩体被各类结构面所切割,又被临空面(开挖面)揭露,就会形成一系列形状各异的镶嵌块体。
隔离,称之为隔离体,如楔形体、连通的滑移面所切割出的滑移体等。
相对来说,隔离体出现破坏的可能性要大得多。
如地下洞室围岩的冒顶、片帮;斜坡岩体滑移、崩塌等现象,经常都是因隔离体所产生的。
因此,如果能够在岩体结构面网络模拟的基础上搜索出这类隔离体的存在,就可以为岩体稳定性评价创造条件。
在搜索隔离体时,既可以进行空间块体的搜索,也可以进行潜在滑移面的搜索。
空间块体的搜索可以在岩体结构面网络三维模拟的基础上自动进行。
结合临空面(开挖面)的具体位置,搜索出被不同结构面组合切割出的空间块体,在此基础上评价块体的稳定性。
潜在滑移面的搜索难度较大,潜在滑移面时常会有多条,这需要对其进行甄别,其中涉及强度与稳定性的关系。
另外,由于它并非完全由连通的结构面构成,因此,仅从结构面网络中搜索就会产生与实际情况不太吻合的结果。
陶振宇等[5]提出应结合岩体节理扩张理论进行搜索。
2.5 岩体渗透性分析只有岩体结构面张开并相互连通,形成一定的渗流通道,地下水才可以在岩体中流动。
因此,基于此目的的结构面连通性分析,可以搜索从“源”到“汇”的裂隙连通网络。
这在坝基岩体渗漏分析,地下巷道的涌水、突水预测及地下水封油库的防渗研究等方面有着十分重要的意义。
借助于计算机自动搜索可以研究与岩体渗透性相关的各类性质。
例如,郝哲等在1999年利用网络模拟研究注浆扩散情况,估算岩体渗透系数。
3 仿真研究岩体结构面网络模拟的最大顾虑在于它模拟出的结构面网络并非实际的结构面网络,它只是与实际结构面网络在统计规律上相一致。
换言之,它模拟出的结构面网络只是在统计意义上与实际结构面分布相同,而不是在具体位置上相同。
这成为限制其工程应用的最大障碍。
因此,需要对结构面网络模拟的“仿真性”(“逼真性”)进行研究。
另一方面,结构面网络模拟毕竟是建立在概率统计学上的技术方法,概率统计学的最大特征就是“不确定性”,因此,对其仿真性的无限追求也是不符合科学实际的,只能在“不确定性”的前提下,尽量提高仿真性。
要做到这一点,就应该研究对岩体结构最起制约作用的因素。
在岩体结构面网络中,众多一般性的结构面与的作用要显著得多。
因此,可以考虑对于一般性结构面仍进行通常的模拟,而对于数目有限的控制性结构面不进行统计模拟,而是把它反映到实际结构面网络中去[2]。
这样,就在一定程度上保证了模拟得到的结构面网络与实际结构面网络相同,从而提高了网络模拟的仿真性。
4 工程实例京珠高速公路湖北大悟段地处丘陵山区,将开挖一系列岩质边坡,其中K34+100至K34+400段岩质边坡规模最大,坡高达70m。
该段基岩为元古界红安群片岩、片麻岩,属斜交坡。
岩体破碎,裂隙密集,风化强烈,但大多数节理裂隙规模较小,多填充泥质薄膜。
经过对该段岩坡5个测段的结构面统计,利用自行开发的3D-RDN M程序进行了网络模拟。
图4为第5测段中一组结构面的特征参数分布图。
图5为该测段结构面三维网络图。
各测段的岩体结构参数列于表2。
同时对未来边坡可能存在的楔形体进行了搜索。
对具体的结果分析如下。
(1)各测段岩体性质差别较大,结构面发育程度不同。
其中第3测段岩体最完整,结构面最不发育,按完整性分类属“完整”等级;第4测段岩体最破碎,结构面最发育,属“极破碎”等级;其余测段介于二者之间,多属“破碎”等级。
(2)与此相对应,各测段岩体的RQD值与结构图4 结构面特征参数的分布图F ig.4 Th e dis trib ution ch art of ch aracteris tic parametersof discontinuity第1期贾洪彪等:岩体结构面网络模拟技术研究进展图5 K34段结构面三维网络图Fig .5 3-D discontinuity n etw ork at K 34表2 岩体结构参数估算值Ta ble 2 T he estimated v alue of rock str uctura lpar ameter s测 段12345裂隙率/m -139.635.9 1.586.931.9RQD /%3859972363线密度/(条·m -1)23.915.3 2.228.912.3连通率0.770.590.350.870.64面密度同样差别较大。
第3测段的RQD 值高达97%,结构面密度仅为2.2条/m;而第4测段的RQD 值仅23%,结构面密度达28.9条/m 。
(3)从结构面连通率可以看出,除第3测段连通率较低(0.35)外,其它测段的连通率较高,都在0.60以上,最高达0.87。
说明大多数结构面是相互连通的。
因此,组合成隔离体的可能性很大。
(4)根据搜索结果,未来边坡存在较多的楔形体,但规模较小,多数体积在1m 3左右,几乎就是通常所说的“岩块”,个别体积稍大,为3～5m 3。
因此,边坡可能的破坏形式应为浅表层的掉块、塌落,加固措施应以浅表层岩块的加固为主。
可采用喷锚网加固方案,由于岩块块度在1m 左右,因此锚杆长度可选择3m 左右。
(5)由于第3测段岩体质量较好,锚杆间距可适当放大;第4测段岩体质量较差,锚杆间距可适当缩小,锚杆长度适当加大。
5 结 论岩体结构面网络模拟技术在近期取得了多方面的进展,使之更有助于岩体结构性质的研究,有助于解决岩体力学问题。
特别是三维模拟技术的开发使岩体结构面网络模拟技术更加实用,表现出比二维模拟更大的优势,可以较好地解决空间岩体力学问题,具有较好的应用前景。