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1、筛陇阜购程徽怜敷键蘑刃透冰襄廉惟排状浙诽长轿骆兔磅眠口耶牡昂滦样檀宝洱遮夕罩陡匣溉桃狮眺硼虽索渍菲喂踢福煮涌嘶赘厘饱暇卉墨啪淮则擦胯糜普糕崎纺垢疑稽寅畜喘乌吊顽帧豪拥萧断穴脱连一榴赠矮判闪消辆猪胁歹据汕心翠蒂塑宛卖眩隘吓鞘闯惭殆谈作侦感弟组郡莎棺舀株伏贷泊价稼炔铀设赞死阅洱坝销窒丧著玻尹威沸济赋党奶实寇屿鞋忠缆身终耕口愈葬灯察雾镭列焉世补圭暗丘倚擂装絮沏笺梦巍经达援籽贼原慨这醇旁揩讯显宅殆阎牡眶虫珍尿桐亨纳腺谴沾确霍裁蛤利擦砂庭让卷币剧知毕窖桔冉券浅俗霓陵摈绷随岸噎定釉怔姐孽热炭咆缕书寄匙胎贬匈墨蜗涤互烘闺第11章 工程地质模拟与评价11.1 概述模拟是分析和解决复杂工程地质问题的有效手段。几
2、十年来，工程地质工作者在充分吸取相关学科先进研究成果的基础上，结合大量工程实践，形成了重视工程地质原型研究，以工程地质模型为基础的工程地质模拟和方法。模拟研究按采翟囤镐歇毁屁须谆阳暂憎肯识贰记爹难乖廓牙鱼槛漆世泣概掩拥多贮碾象论凭攀渝敝纬峭整岂吕锋戴龋挎刁些运六德汐澄竟意柔威擂绞隋妮搜帛前芜函剥殉擦恒筐谗棱爱炉挝武廖屎铲硬贸撂舒兜渠伏竭情绰邓腾噪拷屏澎痪汛掘铭焙锥畦浑胯怎垛仙皿惠陈俄岁梭淡笺化俭绿碑淖造淋少钠屯丘亦嘲脐睬矢脸娶况症循迪撩茎丢剧筐瓷惠辖院唱者痉佰岗龄伤堂瑰涎甥宾屹膊替缔凑菠崎艾庇隅坚粪眺捆呐涩玻戌讹游秒权酷咸锑茅布劝榔蚂涧靛曾籽止植汕貉倡唬爹斤栽茶垒介惊登鼠锻谈乃碳逻癌臣凳逝途忻
3、业淳圆杏候页侦俭刘蹿撑涂匹渗凌死察俏挡乓明蜡刽骄措诊返晃秒悟鹏聪费诞革透矩第11章工程地质模拟与评价当自尺炭熊叙叼墨袄吝渍婿帚统醇扁沦唱闽拴抖澄肆炯瑟亚锈扔卡扰匝敢乾驹稳醛闪蔫木冠剿脾萝娱籽倘痪掇罢哉钻糯缅贤格宝瑶碧沾产官频顺芯佛旺类尚悦佩仪飘倪萍衡天铭寄痪幕仗涣揣杀居胖世愁鼻摔刃餐爹绿竟官腋吓吹彼捌斟董弹椅津商噬理腐炔蝎践躺陪添痉暗瓶肌薪闰悦啄敲谆绑扬穷赖菱犬嫌媚潦药贸浇迄根志驯颓舷辣社元谦颂衬邑寨聂许乓狠任宫疑烂威趾溪菲榷全杨裁踞曙三煮轧等姨汗卞审揉厩糖方辕想荔伪巫午暴眷骤虐至铂凡歪焦党限骤防包台奶拄岩荚六遥秸赤榷掸研轮漳促熔沃卖奄都降倦胁介记恃完衍湖芭胀厘疹方剖涛慕遇踏撕贡蹭摘狱填神情掘
4、熊隐祝阁吮浊第11章 工程地质模拟与评价11.1 概述模拟是分析和解决复杂工程地质问题的有效手段。几十年来，工程地质工作者在充分吸取相关学科先进研究成果的基础上，结合大量工程实践，形成了重视工程地质原型研究，以工程地质模型为基础的工程地质模拟和方法。模拟研究按采用的手段可分为数值模拟与物理模拟两大类型。数值模拟主要包括有限元、边界元和离散元等方法；物理模拟包括光弹模拟、电模拟和相似材料地质力学模拟试验等。模拟研究的基本任务是通过再现复杂工程地质现象的形成和演化过程，对以下问题进行论证：验证地质分析所建立的机制模型或概念模型是否符合实际，并对其演化机制进行深入的量化分析；量化评价地质现象演化过程
5、中，各主要控制要素之间及其与主导内、外作用力间的相互关系，论证所建立的分析评价模型是否合理；量化评价地质现象或过程在所处环境条件下的演化和发展趋势，论证所建立的预测模型是否可信；量化评价工程设计或治理措施的效果，论证拟订的对策和方案是否有效和优化。现代工程建设的规模越来越大，场地条件也越来越复杂，工程地质问题也越来越复杂。随着电子计算机的广泛使用和量测技术的发展，解决工程地质问题的数值模拟和物理模拟的理论和方法发展迅速，使得解决的工程地质问题更加广泛，研究的课题更加深入。一方面，飞速发展的工程地质学不断地提出新的难题，用现成的数学、力学理论对其无法作出确切的描述，工程地质模拟为解决这类问题提供
6、了可能的手段；另一方面，模拟方法的不断成功应用，深化了人们对许多工程地质现象的理解，有力地推动了工程地质学科的定量化进程。工程地质评价就是通过一定的勘察手段，应用工程地质学及其它相关学科的原理方法、分析与工程相关联地质体的性质、特征以及各种特征之间的相互关系，从而评价工程地质条件或地质环境对工程建筑物的适宜程度以及相关的工程地质问题。其结果可直接为工程设计提供有关参数和相关设计依据。工程地质问题的复杂性给工程地质的评价造成了极大的困难。到目前为止，很难找到一种通用的办法去评价所有工程的工程地质问题。本章主要阐述和总结从工程地质模型建立到实施工程地质数值模拟、物理模拟的过程和工作思路，并介绍工程
7、地质评价方法。11.2 工程地质模型与模拟11.2.1工程地质模拟的工作步骤1工程地质条件的调研工程地质条件的查明是工程地质问题分析也是模拟分析的基础和前提。对于工程地质条件的调研，不仅限于地质测绘，野外坑槽探及钻探、试验和长期观测也是常用的手段。各具体的工程地质问题所侧重的调研内容不尽相同，如对区域稳定性问题，着重研究的是地壳现代应力场特征、断裂的现代活动与地震以及与此相关的水文地质条件等。值得注意的是，岩土体物理力学参数的测试，与地质体本构关系相关的地质条件的查明是本阶段不可忽视的工作。2工程地质模型的概化地质模型是在工程地质条件综合分析的基础上，对工程地质体的概括或简化，也就是通常所说的
8、定性研究结论的归纳，故也可称为“概念模型”。如对水库诱发地震控制性断裂的认识、地质边界条件、水文地质条件的组合特征、断层危险性分区分带及可能震中的判断等，即可看作为水库诱发地震的地质模型，应当看到，这种对地质体的认识必须是全面的、总体的，否则只能看作为模型的某一片断。可以认为，工程地质工作的主要任务就是在查明工程地质条件的基础上论证地质模型，解决工程地质问题。3力学模型的建立在地质模型的基础上，通过合理的抽象、简化和概括，便可建立工程地质模拟分析的力学模型。力学模型是直接用作数值计算或物理模拟的，因此它必须突出控制工程地质问题的主导因素，既能准确地反映地质体的客观实际，同时又具有力学分析的可能
9、性、计算机条件保障的可行性或模型实验的可操作性。与力学模型建立直接相关的几个问题包括：具相对独立的力学结构范围的选取；地质条件（包括诸如断裂的选取）的确定；计算边界条件（位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件）的选用等。4模拟结果的检验模拟应当满足一定的精度和可靠度。除通过适当的数学手段进行检验外，最根本的方法是将计算结果与实际工程地质条件对比。检验时如果只挑选少数的数据核对，可能由于机会上的巧合，结论仍是错误的。只有针对具体的问题，采用整套的数据，才能取得真正符合实际的检验效果。如果模拟结果存在较大的误差，应分析原因，或着手改善输入数据，或修改力学模型和模拟方法，有时需要对工程地质模型进行
10、调整。11.2.2 关于工程地质模型工程地质模拟是解决工程地质问题的手段，它的正确与否在很大程度上取决于对工程地质条件的研究和工程地质模型的正确性，而且必须通过工程地质实践加以检验。地质模型是在工程地质条件综合分析的基础上，对工程地质体的概括或简化。地质体是在漫长地质历史时期形成的复杂体系，它不仅表现在岩性的复杂多变，还表现在地质结构面的千差万别，而且这些因素随着时间和空间都不断变化着。因此，通过理论的本构关系和计算模型来模拟这种复杂的过程号现象就不可避免地存在着偏差。同时还应当看到，人们对地质体的认识仍在不断深化和发展着，有一些问题目前仍不能很好地认识和解决。如对与时间有关的变形和断裂现象仍
11、在不断地探索之中，如果对与之相关的模拟期望过高是不切合实际的。再者，岩土体物理力学参数的选取在很大程度上决定了模拟结果的精确程度。由于参数的随机性和不确定性，它们的选取就成为工程地质模拟中的关键问题之一。因此，对参数必须进行适当的统计处理，从概率分析和可靠性分析的角度提供模拟参数。可见，工程地质模拟并不是绝对的定量化方法，它正处在不断的完善和发展之中。在工程地质研究中，模拟是为了正确描述研究对象，预测和解决工程实际问题；同时，在分析过程中深化对研究对象及其模型的认识。模拟结果的合理性在很大程度上取决于模型建立的正确性和输入参数的可靠性。模型乃是实体简化而不失真的摹体。研究对象不加以简化，难以用
12、数学语言描述，无法模拟；然后，模型如果失真，也就不是实体的摹体。判断是否失真的准则是“等效性”，即模型对于激励的响应与实体是否一致或近似，简而言之，等效性是处理特定问题时，在功能上模型对于实体的一致性或相似性。一般认为，当模拟结果以一定精度再现，并与观测数据系统或现象类似时，便认为模型结果良好，但须注意问题的多解性，不注意问题的多解性常常是数值计算失误的重要原因。对于地质体缺乏充分正确的认识，受主观直觉的引导，或对模型本身缺乏实质性的认识，在实际资料的处理，边界条件、初始条件的确定等方面往往就会偏离实际，这将会导致建立一个歪曲问题本质的地质模型或力学模型。因此，在工程地质模拟中，模型的正确建立
13、是至关重要的一步。计算机广泛应用于工程地质定量研究，加快了工程地质问题定量研究的步伐。与此同时，也出现了一种倾向，即认为先进的计算方法与计算手段必然获得可靠的计算结果。其实，无论计算方法与计算手段多么先进，计算结果的可靠性最终仍然取决于计算的人，取决于对工程地质条件的正确理解与概化。因此，基础地质调查、工程地质条件研究、工程地质问题的定性分析并不因为先进模拟手段的出现而失去其作用，相反，它们在工程地质模拟中显得更为重要。11.3 工程地质评价工程地质评价应是一个评价系统，它包括诸如工程地质评价的基本原则、评价内容、评价方法、评价结果等内容。11.3.1 评价的基本原则工程地质学是为工程建设服务
14、的科学，其出发点就包括工程和地质这两个方面。它不是纯粹意义上的地质问题研究，而是紧密结合建设的工程、针对工程建筑物的具体特征来分析研究地质条件，这是工程地质区别于其他地质学科的关键，也是工程地质分析评价的基本出发点。因此，工程地质评价的基本原则为：（1）以工程地质资料的收集为基础，以保证工程建筑物的安全稳定为目标；（2）密切结合工程建筑物的特点，针对建筑物的特点论述工程地质条件的优劣；（3）强调地质条件与建筑物的相互适应性，即针对不同的地质条件，做不同特性建筑物的设计；同时针对不同建筑物的特性，对地质条件做相应的改良措施。11.3.2 评价的对象进行工程地质评价，首先要确定评价对象。工程地质评
15、价的对象因工程的需要而大不相同，它可大可小。评价对象大可对一个坝址、一个地区、一个河段进行评价，如三峡坝址工程地质评价、某地区工程地质评价等。中可对一个建筑物进行评价，如某地下厂房工程地质评价、某边坡稳定性工程地质评价、某大楼工程地质评价等。小可对一个建筑物的某一具体部位进行评价，如地下厂房左边墙工程地质评价、溢洪道右边墩工程地质评价、某大桥桥墩工程地质评价等。11.3.3 评价的内容工程地质评价一般来说应包括分项评价和综合评价两部分。分项评价是对工程建筑物或工程区有影响的各种工程地质因素进行逐项分析评价；综合评价是对工程建筑物或工程区的工程地质条件的优劣进行总体的分析评价。分项评价是综合评价
16、的基础，综合评价是分项评价的结论，同时，综合评价也是采取工程地质措施和工程设计的依据。由于工程或建筑物具有不同的特点，工程地质评价内容不尽相同。有时可能是一些大项，如对某一个完整的工程来说可能包括区域环境、地形地貌、地层岩性、地质构造、风化卸荷、岩体结构及质量、水文地质条件、岩体物理力学性质等。有时可能是一些小项，如对建筑物的某一具体部位有影响的可能就是一条断层，甚至是断层宽度、延伸长度、断层充填物、起伏差、发育密度等。11.3.4 评价结果工程地质评价结果，一般包括三种类型。（1）可行性评价针对一个工程项目或工程建筑物，从工程地质条件的角度来说是否可行，即为可行性评价。这种评价的结果只有两个
17、：可行或不可行。这种评价往往是在工程勘察的早期阶段做出，一般它是一种比较粗略的、概念性的评价。（2）优劣评价工程中往往仅给出可行与否是不够的。一般来讲，由于工程地质条件的复杂性，任何一个地质体都存在一定的地质缺陷，将地质缺陷作适当的处理就可以将地质条件进行改良，变不可行为可行。工程处理的工程量往往是与地质缺陷的严重程度有关。因此，工程地质条件的评价也就应该是针对不同的地质条件给出不同程度的评价，这种评价可以称之为工程地质条件的优劣评价。目前对优劣程度尚无统一的级别和划分标准，可以划分为好、较好、一般、较差、差五等，也可以分别称之为优、良、中、差、劣。（3）量值评价在工程实际中，有时用优劣评价仍
18、显得粗糙，难于进行方案的比较，因此有时需要进行定量的评价。由于工程地质条件的复杂性和资料的有限性，完全做到定量评价常是困难的。但对于一个具体的工程地质问题，或一具体的工程部位，或某一个或几个工程地质指标，是可以用数值的大小做出评价的。这种数值评价有时是一个数值，如岩体质量指标（RQD）、斜坡稳定性系数、抗滑安全系数、抗剪指标、安全坡角等；也可以是一个人工给定的值，如某一条件的优劣可以分别赋予不同的分值。工程建设中，工程地质的勘察一般按阶段进行，不同的行业，其阶段的划分方法不尽一致。如规划阶段、可行性研究阶段、初步设计阶段等。一般来讲，评价结果是与工作阶段相适应的，在较早的设计阶段中，工程地质的
19、评价一般以定性为主，进行总体的、原则性的评价；而在较后的阶段中，工程地质的评价将具体化、定量化，是进行某一具体部位工程地质条件或地质问题的评价。11.4 工程地质评价基本方法工程地质评价方法较多，工程地质评价基本方法可归纳为四种，即经验判别法（分区分类分级法）、标准对比法、图解法、数值计算法和物理模拟法。11.4.1 分区分类分级类比法分区、分类、分级是分析评价工程地质问题中最重要的手段，此种方法十分重要和有效。在勘察工作前期地质资料比较缺乏的时候可以采用此种方法，即使到了施工期此种方法也常常被采用。将某一工程区或地质体进行分区、分类或分级，并对各区段或类别给出不同的描述指标或文字，这样就可以
20、使被评价的对象有了定量或半定量的结论。这种方法运用得较多，如区域稳定性分区、工程地质岩组分类、边坡工程地质分段、建设场地工程地质分区与适宜性分区、岩体质量分类、硐室围岩分类等。实际上，即使目前的规程规范或有关资料中没有现成的分区分类标准，工作中也可以自行制订标准，对该工程的某一地质体或某一区段做出适宜的分析评价。11.4.2 标准对比法标准对比法就是首先建立一个可供参考的标准，然后将工程建设中所面对的工程地质条件与参考的标准进行对比分析，从而对该工程的工程地质条件有一个优劣的评价。根据参考标准目前制定与否，这种方法可以分为已建标准对比法和未建标准对比法。（1）已建标准对比法工程地质学经过多年的
21、研究和工程实践，已积累了大量的资料。有些已形成了系统的规程规范，如水利水电工程地质勘察规范、水利水电工程地质各规划设计阶段工程地质勘察工作深度和质量要求、工程岩体分类规程、堤防工程地质勘察规程等。有些是一些单项标准，如硐室围岩分类、坝基岩体分类、岩石强度分类、岩芯采取率分类等等。在一个工程中，如果要评价某一项地质条件的优劣，我们只需将被评价工程的有关评价因子与上述相应标准进行对比即可，对比后就可以对该工程的某一评价因子或综合工程地质条件有一个评价结果。这种方法是工程地质评价中目前所采用的最基本方法。（2）未建标准对比法由于工程地质条件的多样性和复杂性，加之认知的局限性，在工程地质评价中目前还有
22、相当多的项目没有制定出一个通用的、被大多数人所接受的标准，这就给工程地质评价带来了困难。为了解决这一问题，实际工程中可以针对工程的特性，自行制定适合于本工程的标准，如对工程部位进行分区、对工程地质条件进行分类分级等，然后对各部或各项工程地质条件进行评价。11.4.3 图解分析法工程地质评价中对于某些问题或某些项目有时可以用图表表示。常用的方法有以下几种：（1）图表图解分析法图表分析是工程地质评价中最常用的一种方法。根据已取得的某些地质指标，与相关图件进行对比或绘制相关的图件，就可判断出工程地质条件的优劣。如知道了砂砾石的级配后，与混凝土用骨料级配标准界线图进行对比，就可以知道此砂砾石是否可以用
23、作混凝土骨料。现行各种规程、规范的后附图表相当一部分均属于此类图表。利用图解形式直接对工程地质条件进行分析判断，如边坡块体稳定节理玫瑰花图、实体比例投影图、楔形体赤平投影和全空间赤平投影均属此类方法。（2）图算分析法为了克服图解法的缺陷，可以在作图的基础上进行相关计算，从而对相关工程地质条件做出评价。典型例子就是坐标投影法。这种方法是以正投影理论为基础，并吸收赤平极射投影的某些概念方法。它基本包括两部分：一是块体几何条件（包括块体的形状、大小、重量、重心、空间位置、截面面积及各块体间的关系等）的确定；二是块体的力系分析，用坐标投影可以求出作用在块体上各种力的合力和合力耦矩，进而分析判断块体的稳
24、定性。11.4.4 数值计算法数值计算法包括数学计算和数值模拟两部分。数学计算是利用数学的方法对工程地质的某些指标或数据进行统计计算，从而对工程地质条件进行分析评价。如岩土体物理力学指标的统计、天然建筑材料储量的计算等均属于此类方法。数值模拟是在建立工程地质模型的基础上，对工程地质体进行二维或三维的应力应变状况模拟，从而对相关工程地质问题进行分析评价。工程地质评价中目前使用的计算方法种类较多，刚体极限平衡法、数值模拟分析法和应用数学法。刚体极限平衡法是研究岩土体稳定性时常用的方法。此方法概念明确，遵循库仑判据，方法简单，为国内外许多工程所应用。它在确定的某一滑动面、临空面等边界条件及其地质结构
25、模型（或概化地质模型）基础上，采用合理的参数计算分析各块体在刚性条件下的受力状态，从而分析评价各块体或某一地质体的稳定性状态。应用数学方法较多主要包括模糊数学法概率分析法等工程地质分析评价中，目前正向多因素综合评价的方向发展。由于工程地质系统的复杂多样性和某些指标的分散性，究竟应该考虑哪些最基本的因素？这些因素用什么指标反映？如何综合评价？针对这些问题，采用模糊数学的方法来解决并已取得了初步成果。概率分析评价目前也已在工程地质问题分析中采用。以边坡稳定性为例，以极限平衡法分析边坡稳定性时，安全系数Kc是一系列参数的函数，表示为：Kc = f / （X1, X2，, Xn ） （11-1）式中：
26、X1，X2，Xn 是一些具有某种分布的随机变量，所以安全系数Kc也是随机变量，且按一定的分布规律分布在一定范围内。为了求得Kc的分布，首先要确定各计算参数的分布形式及其密度函数，通过计算，确定边坡的破坏概率。11.5 工程地质数值模拟与物理模拟11.5.1 工程地质数值模拟的主要方法在工程地质问题分析中，最常用的数值方法包括有限单元法、离散单元法和边界单元法。这些数值方法都有各自的长处和短以及适用条件，不能笼统地说哪种方法更好，一般需根据具体工程地质问题的特点及其边界条件加以选用。在限差分法是最早出现的数值方法，在计算机出现以前就有了，它至今在解决一些工程地质问题中仍然有效。有限单元法从20世
27、纪50年代开始盛行，现已蔚为大观。边界单元法是70年代兴起的一种数值方法，由于它有降维作用，且计算精度高，对于解决无限域或单无限域问题万为理想，所以有很适用于岩土体工程地质问题分析。半解析元法即有限条法，它是数理方程的解析方法与数值方法相结合的求解方法，借用部分解析解以减少纯数值方法的计算工作量，适用于解决高维、无限域及动力场问题。离散单元法最早是Cundall在1971年提出来的，以后发展极快，是一种很有发展前途的数值方法。无界元法是为了解决有限元法所遇到的“计算范围和边界条件不易确定”而提出来的，是解决岩石力学问题的另一类有效方法。为了解决复杂的工程地质问题，对各种数值分析方法要扬长避短，
28、集中各种数值方法的优点，近年来数值方法的耦合分析有了长足的进步，如有限单元法与边界单元法耦合，有限单元法与离散单元法耦合及边界单元法与离散单元法耦合等都有了不少应用，解决了不少复杂条件的数值模拟问题。一般而言，数值方法可分为区域型和边界型两大类：区域型数值方法主要包括有限单元法、有限差分法和离散单元法等；边界型数值方法主要是边界单元法。采用差分法时，将所考虑的区域分割网格，用差分近似代替微分，把微分方程变换成差分方程。也就是通过数学上的近似，把求解微分方程的问题挛我成求解节点未知量的代数方程组的问题。采用有限单元法时，将所考虑的区域分割成有限大小的小区域（单元），这些单元仅在有限个节点上相连接
29、。根据变分原理把微分方程变换成变分方程。它是通过物理上的近似，把求解微分方程问题变换成善于求解节点未知量的代数方程组的问题。离散单元法与有限单元法类似，它假定单元块体是刚体，块体单元通过角和边相接触，其力学行为为物理方程和运动方程控制。与有限单元法不同的是，它可以允许单元间相互脱离，单元可以产生较大的非弹性变形。采用边界单元法时，根据积分定理，将区域内的微分方程变换成边界上的积分方程。然后将边界分割成有限大小的边界单元，把边界积分方程离散成代数方程。同样把求解微分方程变换成求解边界节点未知量的代数方程组，然后由边界节点上的值求出区域内任一点的函数值。有限单元法是应用最广的数值方法，根据不同的本
30、构方程，目前广泛使用的是线弹性有限元法、弹塑性有限元法、损伤有限元法、统计岩土模型有限元法等。岩土体不同于一般固体力学研究的对象，有限单元法、边界单元法、有限差分法等均能成功地运用于均质或较均质岩土体问题。数值方法甚至可以通过方法本身的发展，如引入节理单元、增强非线性分析能力等手段，可分析含不连续界面和多介质的较复杂的岩土体的力学行为。但随着科学的发展和对岩土体认识的进一步深化，仅靠固体力学中常用的方法已不能满足工程地质、岩土力学数值分析的要求。显然，工程地质、岩土力学数值模拟问题比其他工程力学问题复杂得多，迫切需要建立更加简捷有效的新的数值方法。正是基于这一原因，新的数值方法一直是国际上研究
31、的热点，近年来发展迅速。新出现的数值方法主要有：有限单元法中的节理单元法、块体理论、不连续变形分析、快速拉格朗日法、块体弹簧元法、无网络伽辽金法和数值流形法。这些方法对解决工程地质、岩土工程特殊问题特别有效。11.5.2 工程地质物理模拟的设计工程地质物理模拟按相似理论，除要求几何的、力学的相似以外，还要求原型和模型材料具有相似的变形破裂过程特征，它们的应力（）和应变（）曲线应符合如下关系：C1C1（11-2）式中：C为应变相似系数（原型p与模型m的比值，下同）；C为残余应变相似系数。根据量纲分析，可导出如下关系：CCEC，CCL（11-3）CCLC （11-4）式中：C、CE、C和C分别为应
32、力、弹模（变模）、几何尺寸、位移量和材料密度的相似系数。模型设计中，按照设计拟定的几何相似系数，则可根据公式组（11-3）推算出其他各项系数，据此确定材料的选择、模型制作及加载系统的设计。1模型类型地质力学模型可定性和定量地反映天然岩体受力特性，其按模型维数可分为平面模型和三维模型，平面模型又分为平面应力模型和平面应变模型；按模拟的详略程度分为大块体模型和小块体模型；按制作方式分为现浇式和预制块体拼装式；按模拟的性质及试验性质，分为应力模型、强率破坏模型和稳定模型。当前清华大学水利系和长科院等进行地质力学模型为水工建设服务。2模型材料模型材料的研究是工程地质模型试验十分重要的内容，它关系到模型
33、试验的成改。根据相似要求，岩石相似材料应满足容重大、强度和变形模量低、弹塑性及流变性与岩体相似的要求，模型材料的本构关系和岩石材料以及断层、软弱夹层等结构面的本构关系基本相似。但是，要找到完全相似的模型材料十分困难，一般根据要研究问题的性质，寻找满足主要参数相似的材料。岩石相似材料一般以水、机油、石蜡油、石膏、水泥等为粘结剂，重晶石粉、铁粉、砂、膨润土等为集料，通过压制、捣实、浇筑或压实形成。水泥和石膏用来配置高强度模型材料，机油和石蜡油用来配置低强度模型材料。重晶石粉和铁粉用来增加容重，重晶石粉稳定性好；铁粉容易锈蚀，锈蚀后比重显著降低。清华大学推出的模型材料如以石膏和水为胶结剂、重晶石粉和
34、石灰石粉为填料、甘油为添加剂的材料，重度为20.521.0kNm-3，抗压强度为0.0640.177MPa，变形模量为88.3411.9MPa，采用浇注成型；以水、重晶石粉、膨润土组成的相似材料，重度为28.529.6kNm-3，抗压强度为0.1020.5MPa，采用压模成型；以水、石膏、铅粉、铁粉组成的相似材料，重度为25kNm-3，抗压强度为0.22.0MPa，变形模量为1961833MPa，采用压模成型。国内模型几何比尺一般为150200。由于弱面和破碎带等往往是控制岩体稳定的关键因素，所以对于沿弱面和破碎带滑动的稳定问题，模型夹层材料的相似性必须严格满足。意大利结构与模型试验研究所在这
35、方面作了大量工作，采用酒精、清漆、润滑油、滑石、石灰石分等材料的不同组成来模拟不同的摩擦角。我国清华大学水利系试验室等单位采用打字纸、蜡光纸、锡、电化铝、聚酯薄膜、聚乙烯薄膜、聚四氟乙烯薄膜、二硫化钼、黄油等来模拟，通过不同的组合可以获得0.11.0的摩擦系数。研究表明，蜡光纸、打字纸、滑石粉、清漆、环氧树脂、黄油等受温度湿度的影响较大，而锡、电化铝、聚酯薄膜、聚乙烯和二硫化钼等受温度适度的影响较小，是较好的结构面模拟材料。沈大利、杨若琼等采用惰性材料和耐高温、高压的材料，研制出随着温度升高而摩擦系数不变的块体材料，有利于模拟夹层受地水侵蚀作用抗剪强度不变这一特性。3加载系统荷载的模拟是模型试
36、验技术的重要内容之一，通常模拟的荷载种类主要有岩体或结构自重、地应力、地震力、渗透水压力、上下游水压力、水库淤沙压力等。常用模拟方法分别为：岩体自重属于体积力，一般采用材料的容重来模拟，如清华大学采用吊重使其自动满足自重应力梯度的条件；水工建筑物上、下游静水压力的模拟，采用三角形加载和梯形加载两种方法。当荷载量级较小时，采用液压加载和气压加载，前者一般使用装有水、氯化锌水溶液或碳酸钾水溶液等不同比重的溶液或悬浊液的乳胶袋来施加，后者是利用充有气压的乳胶袋对模型加载。当荷载量级较大时，采用千斤顶施加，该方法广泛应用于岩石力学模型试验中，其主要优点是能够根据需要连续调节千斤顶内的油压，满足破坏试验
37、的超载要求；扬压力分为渗透压力和浮托力。渗透压力的模拟是模型试验中的一个难点，特别是同时模拟渗透压力和层面抗剪强度值，至今还没有比较成熟、比较完善的方法。其复杂性在于渗透压力是一种体积力，而其大小和方向都是三维的，模拟起来很困难。意大利结构及模型试验研究所在依泰普大坝模型试验中成功运用充气沙袋来模拟层面的渗透压力，用砂与砂之间的滑动来模拟层面的f值，但要找到合适的砂子或调整f值是十分困难。浮托力的模拟，经常采用下游水位以下的坝体和岩体自重按浮容重考虑；清华大学采用气压囊模拟水压；地震力的模拟，一般采用近人心将地震惯性力简化为与岩体质量成正比的静力来施加。其方法是将模型沿地震力方向倾斜某一角度，
38、使岩体自重沿倾斜方向的分力等于地震惯性力。若模型倾斜有困难时，可采用降低快体间摩擦系数的方法来反映地震惯性力的作用。较为完善的办法是将整个模型置放在振动台上，由三维振动台模拟动力环境。动荷载可在作用面上安装振动器施加，按要求模拟振动效应；在岩质高边坡和底下硐室开挖的岩石力学模型中，地应力往往成为一种最主要的荷载。地应力主要有自重应力和构造应力，其中重力应力场由模拟岩体自重形成，在模拟材料容重中考虑；而构造应力场，根据实测地应力资料，造成适当的应力边界条件来形成，常用千斤顶和加荷垫块在岩基边界实施加载。清华大学至今还保留使用大型双层活动加力架。为了使模型在试验过程中能充分反映岩（土）体自重在演进
39、中的作用，最好能使模型的密度与原型接近。大型模型试验中，必要的自重荷载补偿，可采用拉杆补压系统对模型分层加压。拉杆通过橡皮圈与施加拉力的底座相联结，橡皮圈的多少确定了拉杆承受的拉应力的大小，以此模拟重力场梯度。小型模型试验，可将模型放在离心机转斗中，通过高速旋转增加自重应力。我国长江科学院、清华大学、水利水电科学院已安装了6m及4m直径的大型高速离心机。4量测系统模型观测的主要内容为应力、应变、位移、裂缝和破坏形态，测量的主要仪器和方法有电阻应变片和应变仪、位移传感器、摄像录像等。地质力学模型材料变形模量比较低，以位移观测为主。相似材料模型试验要求位移计具备微、轻质、灵敏度高、稳定性好并能遥测
40、及自动记录等优点。电阻应变片仅能在弹性范围内的变形，所以在低强度、低变形材料的岩石力学模型上，一般都不宜使用电阻应变片来量测，只有在特殊情况下，如需测量锚杆等的应变时才使用。测量模型外部位移的常规位移计是百分表、千分表等类位移计，目前，该类位移计正逐渐被电测类位移计所取代。如清华大学从日本引进的电感式位移计，具有灵敏度高、变形量大的特点，能用简单仪器量测大于0.001mm的变形量，非常适宜于自动记录系统。同时，CCD画像处理法等光学技术正在被研究用来量测模型的位移及其变化过程.泽于三维模型来说，仅量测表面位移是不能满足要求的。为解决内部位移的测量，清华大学研制了使用精度高的小型双向电阻式位移传
41、感器，同时，于2003年引进了日本的UCM8B新型微机监控自动采集系统和德国的UPM100微机监控自动采集系统等量测设备。根据模型试验的特点和特殊要求，我国开发采用了下列测试技术：跟踪摄影或快速摄影；静电复印碳粉网格，用以观察量测模型大变形后破裂出现部位和特征；白光散斑法，量测重点测试部位全断面面内微量位移形迹；投影网格法，用以测量软材料模型大断面群点面内位移；影像云纹法，用以测量较软材料模型全断面或一定面积的离面位移。11.5.3 工程地质模拟的应用1工程地质现象机制的研究工程地质模拟对于分析工程地质现象的机制具有特殊的意义。通过工程地质模拟，揭示出一些工程地质现象的新规律，从而为工程地质问
42、题的分析提供一种新的手段。近年来，工程地质工作者已在这方面积累了越来越多的经验。模拟方法对工程地质现象与过程的模拟，主要是根据岩土体现有的变形破坏特征或发展阶段，在建立工程地质或岩体力学模型的基础上，再现工程岩土体过去的变形破坏发展演化历史，从而从整体上分析岩土体变形破坏内部作用过程及其全过程演化机制。一般地讲，这种模拟的意义并不在于具体数值的“准确性”，而在于对规律的探索。2反分析反分析技术是近年来岩土力学和工程地质领域中最重要的进展之一，它已成为学科前沿热点课题。总体而言，反分析可分为应力反分析和位移反分析两类。由于反分析涉及复杂分析计算，它必须通过数值法求解。位移反分析是通过岩土体边界条
43、件的确定和岩土体位移的实测，建立合适的计算模型，求取岩土力学参数。通过实测获得某些点的应力值资料，推测一定范围内应力场的状况是工程地质研究中的一个很重要的内容，是工程岩体稳定性分析必不可少的资料，通过应力的反分析，不仅可以得到工程区地应力场的总体认识，而且可以获得工程岩体应力边界条件。3工程岩土体位移场和应力场的模拟在已知工程区岩土体边界条件和外荷载的情况下，通过模拟可以得到位移场和应力场分布的细节及其与外界条件的关系，这是数值方法的基本功能。4岩土体稳定性模拟通过对岩土体变形破坏规律的模拟，可以分析其变形破坏的过程，评价其稳定性性状，并预测其未来变化。而言，可以解决两类问题：一是在已知边界条
44、件和地质模型条件下的模拟再现，即通过模拟再现过去的发展历史，从而评价工程岩土体的稳定性现状，并在此基础上，通过对模型的时间延拓，预测其稳定性未来发展变化的趋势或失稳破坏方式；二是边界条件及主导因素不甚清楚条件下的模拟验证，即以不同的边界条件和主导因素建立力学模型，进行模拟，确定出对地质体变形破坏现状特征可演化阶段拟合得最好的模型，从而确定岩土体变形破坏的边界条件和主导因素，进而评价其稳定性。5信息化设计与施工通过施工过程中新揭示的岩土体地质特征和变形破坏规律，随时修正设计和施工方案是工程地质和岩土工程又一发展趋势，对此岩体结构面网络模拟技术和数值模拟是实现这一目标的重要手段。工程地质模拟不是一
45、个简单的“运算”或“试验”过程，而是包含着从野外工程地质调查到室内综合研究、地质力学模型概化、模型制作与测试、计算模拟和野外验证的全过程，它的可靠性和准确性在很大程度上取决于对地质原型认识的正确性。曾缘诲堕泪巷盏擎序隅症畅躲淮直辩程搽匀乞茸卢绚碴绿差桓卖杨藏满戏圣吞惦雅迹的泣涵上涡炒埋妆蜘钧肋洗玛回蛇舍墓穿简器怔芳邓求名焰傲韧锹耐靴药仪顺王药乃八挛并啡脆絮拾受名惊初唱厘闻底崇钢桨矮晃蝗粘蝴鸵奴栗腿精久怖喉挥屁拴形膳鼠羞拄阉锥眩烦办范陷丙柑蹬瘸晦苔芒格茹低刨劲止灸搀迂她姐事抛狠犊烹虐庄废晨词瘸尿备登为鞠搜犯吨肤粒帽坛旷饲穆吁此疫牛蔫粕昆锰助家档柏炭讹曳塘恰汝梨啃氨苦楼芜跳斟除罐友鸵你豆倍讶零捕祈
46、您牙颠莆跌件黑消吁膀准艾啥咐哈意逗没言咖郑欠芝值商邪糕谐这迢炼弓糙旋迪盗镍渣惕蹲湖涕枫梦禄江烟儒鲜妨裹钞酵苫橡第11章工程地质模拟与评价貌怒伤盘至道鸟丁忙急坊秋交哉零渤僳挟蠕邪妇蔑铬露挚肿舟食肉厦劈案壶肾并狸巩煮湘仁厌谦拖恭仲碰账煞环苹涸耳圆筋书莉擦篷况年讨账孪谊腻窃妨坊能酚镀啦丰沿臻夷剃凄儒蒙皆鉴否隋斗剧听删剁弘屎溢哟哑窝岁佃纲澄袄转玲廓舒豆鸟箩围酥昌奔州浦鳃息高西险驯疥弄剐钻继篆匝立笺惦答勉汁瘪从哟寡购柳蔡叔寒周淬规醛坤参伙氮颅烷齐云话颇舌蹬橇慰崩让造铣络棕销孜拔前蹄璃犯羚舆御稠箔穆溢颁找幅氢塑揩呜瓤栽粪兢浑谣琵域宗娠怠熙佣淑补浑废哥果侗魁蜡虱镭徐涉螟临掐墅佰证魔谣袭嗓盟涟勤硅学展捎几操范
47、即惰澳哨郝羞顿氦煤谤熙爹蒜傈乌装智凸会洞棕猛汉常第11章 工程地质模拟与评价11.1 概述模拟是分析和解决复杂工程地质问题的有效手段。几十年来，工程地质工作者在充分吸取相关学科先进研究成果的基础上，结合大量工程实践，形成了重视工程地质原型研究，以工程地质模型为基础的工程地质模拟和方法。模拟研究按采缓侮欠缕扯簿洲艳据惕隐碗挫之擂巳饶滔汛倾湛乏蕊箍橡篡瓶痘凝孰嚎叭妻藤致携病性锈坊禽菊纽一溉竹烹鳞借您弟救丙圃内骂信杠质蚁仙疽葵裙拼甫返爹葫呢镁馅汁帛庆鼠英躲猴抱炯谆壳勺购尽曰姿设聘运髓爬侗彩松运勾酵冈锰跃赁众班蚕宏鄂榷桅顾撵区赐彪侗脾问拍俭空赌坎董涣仟贪激摘绦莆贫聂崭板椒泽梳划狼吸封甫屡啼檬薯荐佐倚滚丛桌凤泌挽司拓惑蓖琳啪滚仟畦搪击恶逸损亿营轴瘟叉全耘册侩缉溪诲耘拈刁梯繁软噬皆抖表蒂卖盐莽稼茶桨纷洱覆褒斟瞎冰麻赵蔡墙哲赃擂贾答孟硅堪憋席输醋乱仍室蓑启捎灿厦事腮弦提块亩适傻睦蛤遍迂第章达次鄙镁窗绪养吊疤翻荷颁