岩体工程地质动力学基本原理41

发布时间：2016-08-03 11:12

本文关键词：岩体工程地质动力学基本原理，由笔耕文化传播整理发布。

JournalofEngineeringGeol；岩体工程地质动力学基本原理；伍法权；（中国科学院工程地质力学重点实验室摘；北京100029）；本文简要介绍了岩体工程地质动力学的基本原理；质动力因素的作用规律，其主要研究内容包括：岩体物；文章在动力作用观的框架下，系统阐述了岩体的动力学；岩体；工程地质动力学；原理；中图分类号：P642；文献标识码：A；PRI

JournalofEngineeringGeology工程地质学报1004－9665/2011/19（3）-0304-13

岩体工程地质动力学基本原理

伍法权

（中国科学院工程地质力学重点实验室摘

要

北京100029）

本文简要介绍了岩体工程地质动力学的基本原理。文章认为岩体工程地质动力学的任务是揭示岩体与各类工程地

质动力因素的作用规律，其主要研究内容包括：岩体物质和结构的动力学成因与特性，岩体赋存的地壳动力学环境，岩体的动力学行为与过程，以及岩体工程防灾原理等。岩体工程地质动力学的基本观点包括：岩体及其特性是地球动力学作用结果的“动力成因观”、“动力作用观”，岩体的工程行为是岩体与动力学环境相互作用结果的以及工程地质防灾的基本途径是调节岩“过程调节观”。体与环境的相互作用过程的

文章在动力作用观的框架下，系统阐述了岩体的动力学成因与特性，岩体赋存的地壳动力学环境特征，岩体的基本力学行为，高地应力环境岩体特性与力学行为，岩体动力学响应，岩体中地下水的作用规律等。关键词

岩体

工程地质动力学

原理

中图分类号：P642

文献标识码：A

PRINCIPLESOFENGINEERINGGEOLOGICALDYNAMICSOFROCKMASS

WUFaquan

（KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029）

AbstractThispaperintroducestheprinciplesofengineeringgeologicaldynamicsofrockmass（EGDR）．Itpoints

outthatthemissionofEGDRistorevealthelawofinteractionbetweenrockmassandgeo-dynamicfactors．EGDRbasicallystudiesthefollowingaspects：thedynamicoriginandfeaturesofthematerialandstructureofrockmass，thecrustal-dynamicalenvironmentofrockmass，thedynamicbehaviourandprocessofrockmass，andtheprincipleofgeohazardpreventionforrockengineering．ThebasicviewpointsofEGDRincludesthefollowingsubjects．（a）Thegeo-dynamicgenesiswhichmeansrockmassanditsgeologicalfeaturesaretheresultsofcrustaldynamicprocess．（b）Dynamicinteractionthatmeanstheengineeringbehaviourofrockmassisthereflectionoftheinterplaybetweenrockmassandthegeo-environment．（c）Thepointofprocessadjustmentthatinfersthebasicapproachforengineer-inggeohazardpreventionistoadjusttheinteractingprocessbetweenrockmassandthegeodynamicalenvironment．

Thefollowingaspectshavebeendescribedindetailsundertheframeworkofgeo-dynamics：（1）thedynamicgenesisandgeologicalfeaturesofrockmass，（2）thefeaturesofgeo-dynamicalenvironmentofrockmass，（3）thefun-damentalmechanicalbehaviourofrockmass，（4）thefeaturesandbehavioursofrockmassunderhighcrustalstress，（5）thedynamicreactionofrockmass，and（6）thereactionofgroundwaterinrockmass．Keywords

Rockmass，EngineeringGeologicalDynamics，Principles

*收稿日期：2011－01－09；收到修改稿日期：2011－04－10．

A）．基金项目：国家自然科学基金重点项目（41030749），铁道部重大科技攻关项目（2009G005-作者简介：伍法权，工程地质专业．Email：wufaquan@mail．igcas．ac．cn

1引言

中国工程地质学家，以地质力学的理论为指导，深入研究了地质体的成因、结构，以及地质结构控制下的工程行为规律，发现岩体结构是岩体的基本特征，提出了以岩体结构的科学概念为基础的“岩体工程地

［5］

质力学”理论系统。通过对岩体结构力学效应的系统研究，提出了“岩体结构控制论”的学术思

工程地质学是研究与工程建设相关的地质问题

我国工程的一门应用基础科学。半个多世纪以来，地质工作者通过广泛的工程实践和理论研究，逐步

形成了我国工程地质学的理论体系和“以工程地质以工程地质问题分析为核心，以工条件研究为基础，

程地质评价为目的，以工程地质勘察为手段”的工作方法

［1］

想

［6］

，赋予岩体工程地质力学新的内涵。

岩体工程地质力学认为，，岩体工程地质问题是

。岩体工程地质学是工程地质学的重要

组成部分。

目前公认的岩体工程地质学基本理论主要有成

因演化论和岩体工程地质力学理论。1.1

岩体的工程地质成因演化论

工程结构与岩体相互作用引起的地质问题，研究这种相互作用下岩体的力学行为，是岩体工程地质力学的基本任务。因此，岩体工程地质力学是以地质学为基础，以工程结构与岩体相互作用为核心，以力学为手段的工程地质科学。

岩体工程地质力学的基本原理概括为：1．2．1岩体具有结构性

岩体结构性这一命题的提出是一场革命，它改变了传统思维模式，使人们在岩体工程行为分析评价中，不能不首先考虑岩体结构的作用。

岩体结构是内外动力地质作用的产物。不同成因的岩体具有不同的结构特征；不同结构的岩体表现出不同的工程行为特征。为了研究这种由于结构差异导致的工程行为差异性，谷德振提出了岩体结构的分类系统，包括块状结构、层状结构、破碎结构和松散结构。

岩体结构具有级序性，表现为地质结构面的级序性和岩体的级序性。岩体工程地质力学将地质结构面分为Ⅰ至V级，即深大断裂、公里级的断层等不连续面、百米级的小断层等地质结构面、十米级的节理等结构面，以及小节理、隐裂隙等。根据地质成因和工程行为特征，将岩体划分为地块、山体、岩体、块体和岩块等5个级别。

对于特定的工程地质问题而言，上一级别的岩体研究给出背景条件，本级别的研究给出问题的边界，下一级别研究给出问题的参数。1.2．2岩体结构控制岩体的工程行为

岩体结构控制岩体工程行为是岩体工程地质力

［6］

“岩体结构控制论”。岩体结学最基本的观点，即构的控制作用主要表现在它对岩体工程性质的控

制、对岩体变形破坏模式的控制、对岩体工程问题边界条件的控制和对地质环境作用规律的控制。岩体的工程性质是结构体和结构面组合的整体行为表现，通常包括结构性质、变形性质、强度性质、水力学性质和动力学性质。岩体的工程性质随岩体

强度、渗透物质组成和结构类型不同而表现出变形、

工程地质成因演化论的基本思想和理论框架起

源于前苏联。20世纪60年代，北京地质学院整理国内外工程地质学研究成果，编写了我国第一部

［2］

《工程地质学》教材。此后我国工程地质工作者出版了数百部专通过广泛的工程实践和理论研究，著，上万篇研究论文，逐步形成了我国工程地质学的理论体系。张倬元等编写了《工程地质分析原［3］理》，系统体现了岩体工程地质成因演化论的思想。21世纪初，张咸恭等出版的《中国工程地质［4］

学》和王思敬等主编的《中国工程地质世纪成

［1］就》，进一步阐释了工程地质成因演化论的理论

殷跃平、彭建兵等为发展工程地质成系统。黄润秋、

因演化论和区域地壳稳定性理论做出了积极贡献。岩体工程地质成因演化论的基本思想是成

因决定论和演化改造论，其核心内容包括：（1）岩体工程地质条件的形成是地球内外动力

并随内外动力地质作用的演化而地质作用的结果，

演变。

（2）内外动力地质的耦合作用控制着工程地质条件和工程地质问题。内动力作用控制着外动力作用的格局和基础条件，外动力作用改造着内动力作用的结果。正是这种耦合作用，导致了工程地质条也造成了多样的工程地质问题。件和环境的复杂性，1.2

岩体工程地质力学与岩体结构控制论

［1］

岩体工程地质力学，是研究岩体的工程地质力学行为的科学。它是在中国发展起来的岩体工程地质学理论。

20世纪60年代开始，以谷德振为代表的一批

性及动力响应的强弱差异，也使这些行为体现出程度不同的非均质性、不连续性、各向异性。不同结构的岩体表现出不同的变形破坏模式。

岩体结构控制的核心是结构力学效应。岩体力学性质的结构效应主要是结构面力学效应及结构面组合的力学效应。结构面的力学效应主要是不连续效应、弱面效应和爬坡角效应；结构面组合的力学

尺度效应。效应主要为各向异性效应、1.2．3

岩体与工程结构具有相互依存和相互作用关

岩体和工程结构相互依存，又相互作用，构成一。王思敬等［8］提出人类工程活动与地质环

本节将在动力作用观的框架下，分别讨论岩体

的动力学成因与特性、岩体的地壳动力学环境、岩体高地应力环境岩体特性与力学行的基本力学行为、为、岩体动力学响应、岩体中地下水的作用等。2.1

岩体的地球动力学成因与地质特性

岩体的地质特性是工程地质动力学行为的基础。地质学已经告诉我们，岩体具有不同的地球动力学成因。不同成因的岩体具有不同的地质特性，包括物质组成与结构特性。

岩体的地球动力学成因大致可以分为2类：即内动力成因和内动力主导下的内外动力耦合作用成因。一般来说，内动力作用具有较高的温度和压力，其所形成的岩体多由结晶矿物组成，相对致密，多为块状结构或挤压引起的矿物定向排列结构。而内外动力耦合作用下形成的岩体，如沉积岩，则多由物源区的原岩矿物及其风化产物，或化学凝结物组成，碎屑岩微结构随成岩程度不同而致密程度存在差异。

在常应力条件下，岩体结构是岩体的重要特性。不同动力学成因的岩体，物质组成和宏观结构不同，其工程地质性质和力学行为存在显著的差别。例如岩浆岩与沉积岩的差别决不仅仅在于其物质组成的

更在于其存在块状特性与层状各向异性的差不同，异性。

岩体结构差异和环境变化程度是影响岩体后期

因结构改造的重要因素。不同动力学成因的岩体，状态不同、成岩环境与后期环境温度、压力差别的大

小，其抵抗风化等表生改造的能力会显著不同。一般来说，岩体越破碎，越易受到后期改造；成岩期与后期温压环境差别越大，越易遭受后期改造。

几类动力学成因的岩体及其地质特性列于表1。2.2

岩体的地壳动力学环境与工程地质意义

个统一体。孙广忠将与地质体相关的工程称为地质工程

［7］

境相互作用的思想，系统阐述了这种相互依存和相

互作用关系。

工程结构要植根于岩体之上或布设于其中，对岩体的抗变形能力、强度、抗水害能力等工程行为特性有着很强的依赖性。同时，人们为了保证工程的地质安全，又要采取各种措施改善岩体的特性。另一方面，岩体自身的工程性质既是工程结构安全的

也会因为一些缺陷的存在导致工程灾害重要支撑，

为了保证工程安全，人们既要充分发的发生。因此，

挥岩体自身的积极潜力，也要采取一定的工程措施进行加固，改良岩体性质。

2岩体工程地质动力学基本原理

岩体工程地质动力学的基本任务是揭示岩体与各类工程地质动力因素的作用规律。

岩体工程地质动力学的主要研究内容包括：岩体物质和结构的动力学成因与特性、岩体赋存的地壳动力学环境、岩体的动力学行为与过程，以及岩体工程防灾原理等。

岩体工程地质动力学的研究思路是：以岩体的地质特性和地球动力学环境为基础，以岩体结构动力学行为为核心，以动力学分析模拟为手段，以保证工程的地质安全为目的。

岩体工程地质动力学的基本观点可以概括为：岩体及其工程地质特性是地球动力学作用的产

“动力成因观”；物，即所谓岩体的工程行为是岩体与动力学环境相互作用

的结果，这里的动力学环境指地壳动力学和工程扰“动力作用观”；动环境，此即所谓

调节岩体与环境的相互作用过程，调动岩体潜在能力，是工程地质防灾的基本途径，即“过程调节。观”

岩体赋存的地壳动力学环境是岩体地质特性和

力学行为的重要控制因素。只有将岩体工程地质问才能更深刻题放在特定的地壳动力学环境中考察，

地揭示其内在规律。

岩体的地壳动力学环境主要指：构造活动性、地震动力、地应力特别是高地应力环境；水循环与地下水渗流场、物理化学场等地下水环境；密度与重力、介质力学性质与波速、物性与电阻率、地磁学、地热与地温等地球物理场环境；气候与冻融作用等热

表1

Table1

成因类型岩浆岩

动力控制因素高温、高压以及深部构造活动等地球内动力作用

内动力作用主导下的内外动力耦合作用地球内动力作用控制

高压及构造的高温、

挤压等

构造活地球内动力、

动方式外动力为主

内动力作用主导下的内外动力耦合作用

几类岩体的动力学成因及其地质特性

Dynamicalgenesisandgeologicalfeaturesoftypicalrockmasses

物质组成

结构特征块状

后期改造难易

力学性能

压力及构造与温度、

破裂空间有关的原生矿物

化学原生矿物碎屑、

凝结物

与温度、压力有关的变质矿物

两盘原岩或压碎岩原岩物质的风化变异产物原岩成分

与成岩温、压差别大，强度较高，抗变形能力较易受风化强压相近，风与成岩温、

化相对缓慢；溶蚀等

强度和抗变形能力与矿物及胶结物类型有关

沉积岩层状、互层状块状、片状、蚀变软弱带

碎裂或矿物定向排列不同程度地保留原岩结构

以原岩结构为基础松动

变质岩

与成岩温、压差别大，块状强度与抗变形能力较易受风化好；片岩和蚀变岩较弱破碎易风化、溶蚀

强度和抗变形能力较弱随风化程度不同而对原岩

弱化程度不同

松动使风化更容易

渗透性和力学性能弱化，

各向异性增强

断层岩风化岩松动岩

动力学环境等。

研究岩体地壳动力学环境的工程地质意义在于：

（1）板块相对运动的强大动力控制着区域地壳

岩体的成因与地质特性、活动断裂的性运动的模式、

质与分布、地震稳定性强弱与区域特征、地应力的分

布与集中程度，以及大地形变的速率，而这些正是工程建设的内动力地质环境；

（2）地壳动力学过程主导的大地形变特征、地形地势特征和区域气候模式的变化等，与工程结构和开挖扰动共同支配着地表动力改造过程，并决定着工程建设的地质安全，这些正是工程建设面临的外动力地质环境。2.3

工程岩体的力学行为

受结构面控制的不连续性质分布影响的不均匀性、

和各向异性，还表现出受岩体结构控制的力学效应，如结构面密度效应、结构面尺度效应、结构面产状效应、大泊松比效应等。

按照统计岩体力学理论

［9］

，裂隙岩体的线弹性

应力应变关系表述为如下张量形式

eij=（C0ijst+Ccijst）σst

eij、C0ijst和Ccijst分其中，σst为应变张量和应力张量，

别为岩石块体和结构面网络引起的弹性柔度张量，反映岩体的易变形性能。由于岩体复杂的结构特性，上述关系式较为复杂。为了便于分析问题起见，我们写出受压条件下含一组结构面岩体的单轴应力－应变关系式如下

e11=

11+2ηλah2cos2θ（1－cos2θ）］珔σ11，E

变形和强度行为是岩体的基本力学行为。岩体在高应力、常应力和卸荷松动低压力环境下的变形与强度行为具有显著的差异性。揭示岩体在3类应

是岩体工程力环境下的变形与强度行为序列特征，地质动力学研究的基本内容之一。

本节讨论常应力和卸荷低应力环境下，岩体受

结构控制的变形与强度行为特征，以及所表现出随机性、不连续性、各向异性、尺寸效应和最弱环节效应。高地应力下岩体的性态和力学行为将在2.4节中讨论。

2.3.1岩体的变形行为2．3．1．1

岩体变形的结构控制效应在常应力环境下，岩体的变形不仅表现出受介

16（1－ν2）

η=

π（2－ν）

E、式中，ν为岩块的弹性模量与泊松比，a珔和θ1为一组结构面平均半径和结构面法向与σ11的夹角，λh为结构面上扣除抗和为该组结构面的法向密度，

剪强度后的剩余剪应力与总剪应力之比，称为剩余剪应力比值系数。

根据上式可以导出岩体的弹性模量，即Em=

σ11E

=≤Ee111+2ηλah2cos2θ1（1－cos2θ1）珔由以上两式可以看出，在常应力环境下，只要有

结构面存在，岩体抗变形能力就会降低；岩体变形性质的弱化程度随结构面密度增大而增强，随结构面平均尺寸增大而增强；且与结构面的产状直接相

关而表现出各向异性。这就是岩体变形性质的结构面密度效应、结构面尺度效应和结构面产状效应。同时我们还可以看出，结构面上的剪应力增加或抗剪强度的减小都会使剩余剪应力增大，也将导致岩体的变形模量迅速减小。岩体裂隙水压力作用也会导致岩体变形模量的降低，我们将在2.7节岩体地下水的作用中讨论。

另一方面，我们还可以导出岩体的泊松比为2η222

ahcoscosλ珔θθ21e22v

=ν12=－νe11h2cos2θ1（1－cos2θ1）π+2ηλa珔

式中，θ2为结构面法线与σ22的夹角。由于存在结

π+

2构面法线与σ33的夹角θ3接近90°，即1－cosθ1=

cos2θ2+cos2θ3=cos2θ2的情形，且恒有1，因

此岩体的泊松比可能大于岩块的泊松比，而且计算

图1Fig．1

锦屏一级水电站左岸深部裂缝分布DeepfissuresintheleftbankofJinpingⅠ

HydropowerStation

著增强，导致岩体力学性质和渗透性能的强烈各向

异性。

对于人工开挖卸荷，我们将在2.4节高地应力岩体工程性质与力学行为部分讨论。2.3.2

岩体的强度行为

岩体的强度是岩体抵抗环境应力的能力。在常应力环境下，岩体的强度行为是岩石强度与结构面网络强度的协同行为。

2．3．2．1岩块强度的尺寸效应

通常所说的岩石单轴抗压强度是指它能承受单轴压缩荷载的试验均值σc。但是，岩石强度的试验

大致符合Weibull分布。这值具有很强的分散性，

个分布隐含了岩石的破坏受最低强度控制的规律。强度的合理取值方法应该是选取强度分布密度曲线即众数值σcm。岩石单轴抗压强度峰值点处的值，的众数和方差S为

σcm=σ0V

－1

21122－（1－，S∝σ0Vn

表明可能出现岩体泊松比大于0.5的现象。这就是

。它反映了结构面的节理岩体的“大泊松比效应”

滑移对岩体横向变形的贡献，实际上是岩体力学性

质不连续性的表现。2．3．1．2

卸荷岩体力学特性

岩体的天然应力场是自重应力和来自地壳动力学原因的构造应力的复合应力场。岩体在河谷切割或者人工开挖状态下，会发生应力场的卸荷，导致岩

由此引起岩体工程性质的一系列变体的松弛变形，化。

地壳的区域性挤压抬升和河谷下切的速率，是

地貌形态改变和地形起伏增大的动力学原因；而这种动力学背景和产物则是河谷岸坡岩体卸荷的直接

［10］

驱动力。笔者在中国西部高山峡谷地区的研究发现，河谷岸坡岩体的卸荷松动范围受谷坡的高度、坡度和形态影响，表现出尺度效应、坡度效应和斜坡形态效应，即岸坡越高、越陡，松动范围越大，剖面上外凸形和内凹形岸坡松动范围大于直线形岸坡。同时还发现，岩体松动范围显著地受水平构造应力的影响而表现出构造应力增强效应。

雅砻江锦屏一级水电站枢纽区岸坡中张开裂缝分布的水平深度达到350m以上，远远超出卸荷带划分的经验范围，导致理解困难和近10a的争论，被

“深部裂缝”（图1）。命名为

由于河谷应力卸荷的方向指向河谷，岩体中的卸荷张裂缝往往陡立，而其走向基本平行于斜坡。这种卸荷张开裂缝的定向性，不仅使斜坡岩体的力学性质大为弱化，

也使岩体顺河方向的渗透性能显

n为式中，σ0为与岩块单轴抗压强度有关的参数，

V为试件体积。可见，分散性指标，岩石的单轴抗压强度存在随尺度增大而减小的尺度效应；而且随着

试件尺寸的增大，方差减小，表明试验取值的确定性试件尺寸越大，试验结果就越具有增加。由此可见，

代表性和可靠性。这正是人们发展大尺寸试验和岩体原位测试技术的基本依据。2．3．2．2

结构面尺度的极值分布在常应力条件下，岩体的强度行为主要受结构

面力学效应支配。但是，结构面的破坏通常服从大尺寸优先原理。

笔者已经给出一组结构面中最可能出现的最大

［9］

结构面半径am为

下载地址：岩体工程地质动力学基本原理41.Doc

　　【】