孤立的刚性块体分析(block analyze-stability) (1)

1 引言

在深度相对较浅的节理岩体中进行地下开挖，最常见的破坏类型是楔形状(wedge)岩体从顶板上掉落或从侧壁上滑出(片帮)。这些楔形体由相交的构造节理形成，这些构造特征将岩块分隔成离散但又相互交错的块状体。当隧道开挖形成一个自由面时，来自围岩的约束就会被消除。如果边界平面连续或沿不连续的岩桥被破坏，那么这些楔块中的一个或多个就会从表面掉落或滑动。

在这种情形下，如果开挖宽度太大, 则会形成多个楔甚至楔与楔之间形成贯通。除非开挖后立即采取支护措施，否则围岩的稳定性会迅速恶化。每一个楔形体，如果允许其掉落或滑动，都会导致岩块的约束和互锁减少，这反过来又会使其他wedge掉落。这一破坏过程将继续下去，直到形成岩块的自然拱或者隧道被掉落的岩块填满。离散元程序UDEC和3DEC从数学和物理的角度有效地解释了这种破坏机理和过程,参看【GIIC-UDEC操作教程(3)---巷道顶板冒落】。

2 块体稳定性分析方法

与上面描述的连续破坏过程不同，在地下开挖过程中，经常需要分析孤立楔形体的稳定性，显然，UDEC和3DEC可以直接分析这种刚性楔形体的稳定性。在实践中，一个非常有用的分析工具是UnWedge(地下开挖岩石楔的稳定性分析，V5.013, 12/06/2021)。UnWedge用于确定由结构不连续的交叉点形成的岩楔稳定性，基本的工作机理是极限平衡法, 可以计算出楔形体的安全系数。

关键块理论能够分析孤立楔形体的稳定性，例如【石根华的Discontinuous Deformation Analysis (DDA)文献聚合】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 孤立的刚性块体分析

孤立的刚性块体稳定性分析(Isolated Rigid Body Analysis)是Ghazal提出的算法在3DEC中的改进【block analyze-stability】。这种方法计算位于地下开挖表面任何形状的单一三维刚性块的稳定性。孤立的块体意味着它单独存在于岩体中，忽略了其他块体的存在。块体作为刚体进行平移和旋转，并与周围的连续岩体进行互动。块体在开挖之前，最初在其所有面上都受到初始应力的作用。该方法包括计算由于开挖过程(开挖面的应力释放)导致的块体运动和块体表面的应力变化。

[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.

从理论上讲，如果使用"刚性块"假设，这种方法求出的安全系数与3DEC方法求出的安全系数应该相同，然而这个改进对于安全系数的计算更直接，只需要输入块体的几何形状、连接属性(kn和ks)和原岩应力。通过计算块体面上的安全系数来评估块体的稳定性。

本文下半部分将详细分析block analyze-stability命令的使用方法。