节理岩体结构面连通性研究及其应用

取样偏差校正和蒙特卡洛模拟，从而形成结构面网络模型。然后，对网络模型进行分析与计算，得到结构面在几
何学意义上的连通性；并由网络模型寻求真正的优势控制性结构面。最后，以此类优势结构面为基础，与其他随
机结构面进行耦合分析，结合岩桥破坏机制，运用动态规划方法搜索抗剪力最小路径，得到更符合工程实际的结
构面在力学意义上的连通率。
WANG Xu，YAN E-chuan
(Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China)
Abstract：Through the two aspects of geometry and mechanics，stability of rock mass is influenced by discontinuities. Therefore，connectivity research of discontinuities in jointed rock mass is analyzed at two aspects： (1) geometrical connectivity reflecting hydromechanics of rock mass and spatial orientation effect of discontinuities；and (2) mechanical connectivity reflecting strength of rock mass；thereby engineering properties of discontinuities are more disclosed generally. In the paper，discontinuities in the jointed rock mass are measured by means of surveying line sampling method，and orientation and trace length of discontinuities are corrected and Mote-Carlo simulated，thus the discontinuities' network models are formed. Then the network models are analyzed and calculated，therefore geometrical connectivity is acquired；and prevailing discontinuities are found through discontinuity network model. Based on the prevailing discontinuities，a method is presented to perform persistence analysis by coupling these prevailing discontinuities with other random discontinuities. And according to the rock-bridge failure theory ， shear paths with minimum shearing force are searched by using dynamic programming，then reasonable mechanical persistence ratio of discontinuities，which is more conformed to the engineering practice，can be achieved based on this method. Key words：rock mechanics；jointed rock mass；network simulation；connectivity；geometry；mechanics
2 结构面网络模拟的基本原理
从统计意义上讲，在工程岩体中，反映岩体结 构面分布特征的几何参数(倾向、倾角、迹长、间距 等)都是服从一定的概率统计规律的。因此，可由现
场结构面的实测数据，分析整理得出结构面各几何 参数的分布函数形式及其相应的均值、标准差，建 立各参数的概率统计模型，并借助这些模型，模拟 产生与这个概率模型相似或平行的随机数，通过抽 样统计求得服从这个分布规律的统计估算值，作为 分析问题的数值近似解。总之，结构面网络模拟就 是根据现场量测到的结构面的各种几何参数的概率 分布函数，来推求服从这些分布规律的结构面网络 几何图形。实现计算机网络模拟过程所采用的方法 为蒙特卡洛(Monte Carlo)方法。
关键词：岩石力学；节理岩体；网络模拟；连通性；几何学；力学
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2005)增 1–4905–07
CONNECTIVITY RESEARCH OF DISCONTINUITIES AND APPLICATION IN JOINTED ROCK MASS
岩体是结构面形成的网络及网络中岩石的结合 体，结构面的性质是岩体工程性质的重要组成部 分。作者认为，结构面通过几何学和力学两个方面 影响岩体稳定性，故岩体的连通性可由结构面的几 何学性质பைடு நூலகம்力学性质来描述。基于这一思想，本文 重点研究结构面的 2 类连通特性：(1) 反映空间效 应及岩体水力学特性的几何学连通性；(2) 反映岩 体强度的力学连通性。 3.1 几何学连通性
摘要：岩体结构面通过几何学和力学两方面影响岩体稳定性。因此，可将结构面连通性研究分解为 2 类问题：(1)
反映空间方位效应及岩体水力学特性的几何学连通性；(2) 反映岩体强度的力学连通性；从两方面能更全面的反映
岩体结构面的工程性质。首先采用单测线法对节理岩体结构面进行统计测量，对获取的结构面的产状和迹长进行
K
=
∑
∑ JL JL + ∑ RBR
(2)
式中：JL 和 RBR 分别为剪切路径中结构面和岩桥 的长度。
根据这一定义，力学连通率 K 的确定归结为在 复杂的结构面网络图中搜索结构面与岩桥组合破坏 捷径的“路径”问题。此时，连通率 K 与结构面和 岩桥的强度有关，所以更能准确的描述岩体连通特 性与岩体抗剪力之间的关系。
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岩石力学与工程学报
2005 年
1引言
岩体是一种不连续介质。它发育有不同地质成 因且错综分布的各类结构面。结构面的连通特性大 小对岩体几何学性质(包括空间方位效应与水力学 性质)和岩体力学性质所起的作用是不同的。它强烈 影响着岩体的强度、变形性能、水力学特性及变形 破坏机制，其大小可用连通率来表示。连通率是反 映断续结构面在其延伸方向上连通特性的重要岩体 结构指标，对评价工程岩体的水力学特性及稳定性 起着关键的控制作用。
收稿日期：2005–04–15；修回日期：2005–06–16 作者简介：王 旭(1982–)，男，2004 年毕业于中国地质大学(武汉)水文地质与工程地质专业，现为硕士研究生，主要从事岩土体加固技术与数值模 拟方面的研究工作。E-mail：wangxu198288@2000.cug.edu.cn。
因此，本文基于结构面网络模拟技术，对某大 桥桥基边坡节理岩体用测线法获得的结构面信息进 行模拟，从而形成结构面网络模型，在此基础上从 结构面几何学和力学角度出发，对其两类连通性进 行了较全面研究：反映空间方位效应及岩体水力学 特性的几何学连通性和反映岩体强度的力学连通 性； 突出连通性对岩体稳定性影响的工程意义。并 在计算力学连通率时，综合考虑岩体中的优势面对 岩体稳定性的控制作用，把优势面理论和随机模拟 方法有机结合，为连通率的定量分析方法增添了新 鲜内容。
第 24 卷 增 1
王 旭等. 节理岩体结构面连通性研究及其应用
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图 1 结构面网络剖面图 Fig.1 Discontinuity network section
即在生成的模型中切取与实际取样段同样大小的检 验窗，将检验窗中出露的迹长、产状及出露的结构 面条数等信息与野外实际取样段内的信息进行图形 和数值对比，如果各个参数的数值接近，则认为模 型检验结果良好，可以参与工程计算；如果模型与 实际情况差距较大，则必须重新模拟，使模型与实 际情况尽量一致，降低尺寸效应的影响。
一般采用测线法进行野外结构面测量，即在结 构面出露较好的位置布置一条测线，记录与测线相 交的各条结构面的以下参数：(1) 位置；(2) 半迹长； (3) 隙宽；(4) 倾向、倾角；(5) 类型。另外还需记 录露头位置、测线产状等。
对于结构面的形态，提出了不同的概念模型， 主要有正交结构面模型、Beacher 圆盘模型以及 Veneziano 多边形模型和 Dershowitz 多边形模型[8]。 本文采用的网络模拟中，假定每一个结构面的形状 为薄圆盘，其依据在于：研究证明，结构面在其走 向方向的长度和其倾向方向的长度大致相等，为了 计算简便，可将其简化为等效圆盘。圆盘模型不考 虑结构面的起伏和粗糙度，但其可以考虑任意结构 面的方位、规模、位置的结合，由圆盘的直径来刻 划结构面规模。
室内分析过程如下所述： (1) 将结构面产状及其法向的极点投影至等面 积的施密特(Schmiter)图上，得到结构面等密度图， 由等密度图可以进行结构面分组，获得优势结构面 的组数；当然这只是数量优势结构面，在实践中还 需结合工程判断，区分出统计优势结构面和地质优 势结构面，突出真正对工程具有重大意义的优势结构 面。 (2) 获得结构面分组后，可以对各组优势结构 面分别统计，同时对产状和迹长进行偏差校正，确 定各几何特征参数的概率分布类型、均值及方差； (3) 依据优势结构面组数，以及各组优势结构 面的几何特征参数，进行 Monte Carlo 网络模拟， 得到岩体的结构面网络模型。并可切割模型，绘制 结构面在横剖面、纵剖面及平面上的网络图及网络 连通图。横剖面走向与测线走向一致，纵剖面走向 与测线垂直，平面走向为正东方向，如图 1 所示。 (4) 网络模型生成后，还不能直接用于工程运 用与计算，还需要进行模型检验。所谓模型检验，
目前，国内外学者对连通率展开了广泛研究， 提出了一些基于实测和网络模拟技术的几何投影算 法[1~3]，以及连通率概率模型计算方法[4，5]，并提出 了三维连通率的求解方法[6，7]。这些方法都极大地 促进了连通率的研究，但是总的来说，在这方面的 研究是比较薄弱的，结构面连通性在几何与力学性 质上的工程意义研究有待进一步完善。
由于岩体中结构面空间发育的不确定性和不均 匀性，而收集到的资料一般多为野外露头上或是发 展平硐内局部的资料，其范围受到局限，加上对岩 体空间内部的情况不清楚，早期的研究认为确定结 构面的连通率几乎是不可能的。但随着计算机科 学、统计学和概率论在岩体力学中的应用，网络模 拟技术进一步完善和发展，这就为人们解决结构面 在几何学及岩体力学意义上的连通率带来了便利。
3 岩体结构面连通性的理论
的长度。运用 Monte Carlo 模拟，由式(1)可求得各 组结构面的连通率[9]。 3.2 力学连通性
从力学的角度，岩体的滑动破坏总是沿着结构 面与岩桥组合形成的抗剪力最小的曲面进行。几何 学连通率定义与以往简单的几何投影确定连通率的 方法一样，并没有真正反映结构面和岩桥破坏的内 在力学机制，因此，可将反映岩体强度的力学连通 率定义为岩体沿某一剪切方向发生剪切破坏所形成 的破坏路径中结构面所占的比例[3]，即
第 24 卷 增 1 2005 年 8 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.24 Supp.1 Aug.，2005
节理岩体结构面连通性研究及其应用
王 旭，晏鄂川
(中国地质大学(武汉) 工程学院，湖北 武汉 430074)