【正文】 彈、塑粘性介質(zhì)中，作為宏觀力學(xué)來考慮。由裂紋前緣的應(yīng)力和位移根據(jù)斷裂因子判斷裂紋的擴(kuò)展及其開裂方向，損傷力學(xué)以微觀裂紋為出發(fā)點(diǎn)。它們是把介質(zhì)看成是存在許多缺陷和裂紋的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。在該范圍以外，不受開挖影響，這一范圍內(nèi)的巖體就是常說的圍巖，是有限元計(jì)算模型的邊界范圍。計(jì)算模型如圖23所示： m 圖 23含圓孔薄板雙側(cè)受壓的力學(xué)模型 ()可以將模型分解為兩種模型的疊加，如圖24所示： MMM (a) (b) (c) 圖24含圓孔薄板雙側(cè)受壓的疊加計(jì)算模型圖24中（b）圖中M點(diǎn)的各應(yīng)力分量,根據(jù)彈性理論為： () 邊界條件： () 設(shè)應(yīng)力函數(shù)： () 根據(jù)邊界條件解得應(yīng)力函數(shù)為： () 根據(jù)疊加原理得到和同時(shí)作用時(shí)圓形巷道圍巖重分布應(yīng)力為： ()根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系即物理方程（）和應(yīng)變和位移的關(guān)系即幾何方程（），解得位移的彈性解（）： () () () 圖25 含有空洞圍巖應(yīng)力分布圖 當(dāng)=時(shí)，%。巖石強(qiáng)度理論——指巖石在某應(yīng)力或應(yīng)變條件下產(chǎn)生破壞的判據(jù)，主要分為主要有三種:（1）庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則（2）莫爾強(qiáng)度理論（3）格里菲斯強(qiáng)度理論將圍巖近似視為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，用彈性力學(xué)的基本理論來分析圍巖的應(yīng)力和位移分布。（2）塑性屈服強(qiáng)度理論——最大剪應(yīng)力，有效剪應(yīng)力理論但是，由于（巖面）材料的破壞，從微觀顆粒脫離情況而言，不外遠(yuǎn)離、錯(cuò)開兩種可能，物體破壞只有拉壞和剪壞兩種。在材料力學(xué)中有關(guān)于材料強(qiáng)度破壞決定性因素的各種假說，這些假說也被稱為強(qiáng)度理論。其中斷裂破壞發(fā)生于應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，流動(dòng)破壞發(fā)生于應(yīng)力達(dá)到屈服極限。變形和強(qiáng)度是巖體兩類的力學(xué)性質(zhì)，本構(gòu)關(guān)系來反映變形性質(zhì)，強(qiáng)度準(zhǔn)則來反映強(qiáng)度性質(zhì)。在巖石和巖石經(jīng)歷了相同的演化史和地質(zhì)環(huán)境，但它們的性質(zhì)是不同的。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用的巖樣就是巖塊。在巖石力學(xué)的一般概念中，巖石的成分是巖塊和巖體。 圖22巖石裂隙圖巖石在外力作用下處于破壞狀態(tài)時(shí)的極限應(yīng)力，是巖石力學(xué)性質(zhì)的主要屬性質(zhì)。(或裂隙頻率)單向裂隙指在表面的法線方向上每單位長(zhǎng)度內(nèi)，法線與結(jié)構(gòu)面的相交的數(shù)目，以()表示。形狀多種，不規(guī)則散體結(jié)構(gòu)構(gòu)造破碎帶、強(qiáng)烈的風(fēng)化帶裂隙和節(jié)理很發(fā)達(dá)，無規(guī)則巖屑、碎片、碎塊、巖粉巖石中普遍存在的結(jié)構(gòu)面，無論是物質(zhì)分異面還是物質(zhì)不連續(xù)面，都會(huì)使結(jié)構(gòu)面兩側(cè)附近的巖石物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)不連續(xù)變化。層面有一定的結(jié)合力塊狀、菱形塊狀層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)受構(gòu)造破壞或較輕的中厚層(大于30cm)巖體結(jié)構(gòu)面23組，以層面為主，有時(shí)也有軟弱夾層或?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)面，其延續(xù)性較好，層間結(jié)合力較差塊狀、柱狀、厚板狀薄層狀結(jié)構(gòu)厚度小于30cm，在構(gòu)造作用下發(fā)生強(qiáng)烈褶曲和層間錯(cuò)動(dòng)層理、片理發(fā)達(dá)，原生軟弱夾層、層間錯(cuò)動(dòng)和小斷層不時(shí)出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)面就是巖體內(nèi)具有確定的方向、較大的延展性、較小的厚度兩維面狀地質(zhì)界面，包括物質(zhì)的異面和不連續(xù)面（如層理、斷裂面等） 結(jié)構(gòu)體則是被不同層狀結(jié)構(gòu)組合切割形成大小不一形態(tài)各異的單元巖塊。巖石則是“巖塊”和“巖體”的統(tǒng)稱。在這種情況下，對(duì)巖體工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各種結(jié)構(gòu)面分割的巖石塊體，而主要是巖體中存在的結(jié)構(gòu)面，或者是由巖石和結(jié)構(gòu)面共同控制。2 巷道圍巖穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ)巖石是自然歷史的產(chǎn)物，由于它們的生成條件及在生成以后的漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期中，形成了許多各式各樣的結(jié)構(gòu)面，例如巖漿侵入巖與圍巖接觸面，不同侵入巖體彼此的接觸面、冷凝裂隙，噴出巖和沉積巖的層理、不整合面，變質(zhì)巖的片理、片麻理，組成各種巖石的礦物晶體的各種優(yōu)勢(shì)定向排列面以及由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化、重力和卸荷等各種不同動(dòng)力的作用而產(chǎn)生的斷層、節(jié)理、裂隙等。在此基礎(chǔ)上研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面傾角、摩擦系數(shù)、巖性以及與非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸以及與巷道口的間距等因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過程中，巖體產(chǎn)生大量的裂隙、節(jié)理和斷層，破壞了巖體的完整性，降低了巖體的強(qiáng)度，是影響地下工程圍巖穩(wěn)定性的重要因素之一。然而，任何一種分析方法都不是萬能的、唯一的、排它的，如果能把2種或多種方法融合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，則對(duì)問題的分析更有用。(4)其它方法除了上述常用的方法外,其它一些理論與方法也在圍巖穩(wěn)定分析中得到應(yīng)用。可靠性理論根據(jù)不同的巖石破壞判據(jù)建立極限狀態(tài)方程，自應(yīng)用于巖土工程以來,在許多領(lǐng)域獲得了較大的發(fā)展[16]，并被引入地下硐室穩(wěn)定分析中；采用概率論方法求得地下結(jié)構(gòu)工程的破壞概率，進(jìn)而分析其穩(wěn)定可靠性。根據(jù)節(jié)理巖體的特性,按彈簧塊體理論模擬節(jié)理巖體中大型地下硐室開挖與錨桿支護(hù)的變形特征[16]。與有限元相比,具有計(jì)算時(shí)間短、計(jì)算范圍大等特點(diǎn),但邊界元法對(duì)奇異邊界較難處理。邊界元法。為了克服有限元等方法不能求解大變形問題的缺陷，能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，求解速度較快。該法特別適用于具有地質(zhì)結(jié)構(gòu)面巖體的穩(wěn)定分析，與有限單元法相比，可減少未知量個(gè)數(shù)，提高計(jì)算精度和速度。其基本思想是巖塊之間的相互作用，同時(shí)受位移力的物理方程和力加速度(速度、位移)的運(yùn)動(dòng)方程的支配,通過迭代求解顯示巖體的動(dòng)態(tài)破壞過程。DDA模型建立了一套完整的塊體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，較好地模擬具有非連續(xù)面的巖體的運(yùn)動(dòng)與變形特性。有限元法有限元法自20 世紀(jì)70 年代提出發(fā)展至今,已經(jīng)相當(dāng)成熟,是目前最廣泛使用的一種方法,可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題,是地下工程巖體應(yīng)力應(yīng)變分析最常用的方法。(2)數(shù)值分析方法在圍巖穩(wěn)定性分析中,解析法適用于那些邊界條件較為簡(jiǎn)單及介質(zhì)特性簡(jiǎn)單的情況。解析法也具有精度高,速度快和易于進(jìn)行規(guī)律性研究等優(yōu)點(diǎn)。但是此方法有局限性，只多用于圓形隧道的求解。根據(jù)圍巖穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型,可將目前常用的圍巖穩(wěn)定性分析方法分為如下4類。這些問題仍然來自于地下工程圍巖穩(wěn)定分析中影響因素的繁多及其復(fù)雜性。這表明，在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)定基準(zhǔn)值時(shí)難以用數(shù)值方式表示。現(xiàn)分析如下：（1）數(shù)值分析模型缺少理論基礎(chǔ)；（2）位移反分析力學(xué)模型的假設(shè)缺少理論支持；（3）模型試驗(yàn)尚難以實(shí)現(xiàn)時(shí)空模擬；（4）圍巖失穩(wěn)的判斷難以確定；（5）圍巖承載特征曲線的測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)。在地下工程穩(wěn)定問題的分析中，如果不把巖體的性質(zhì)搞清楚，那么任何計(jì)算等于無用。當(dāng)然，計(jì)算技術(shù)與數(shù)學(xué)方法為我們提供了廣闊的應(yīng)用空間，其成熟程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地下工程基礎(chǔ)理論的成熟程度，這就啟示著我們研究工作的重點(diǎn)，這也是我們不可回避的事實(shí)。計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)方法的加深利用，使我們對(duì)地下工程的一些問題進(jìn)行分析與研究的可行性增大，但是研究的方向、途徑、策略手段、和其選擇模型是否可行，則需要不斷地的鉆研和改進(jìn)。(3)圍巖穩(wěn)定性分析存在問題隨著計(jì)算機(jī)與巖土研究中的緊密結(jié)合，圍巖穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算法有了新的發(fā)展。馮夏庭(1999)建立了分形維數(shù)與JRC的關(guān)系式并應(yīng)用于JCR值的近似分形預(yù)測(cè)[3]。在巖體結(jié)構(gòu)面的定量化統(tǒng)計(jì)研究方面，國(guó)內(nèi)研究人員做了很多的工作，為通過結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)模擬進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律研究奠定了堅(jiān)實(shí)的的基礎(chǔ)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)提取結(jié)構(gòu)面的有關(guān)參數(shù)。(2)地下工程圍巖穩(wěn)定性研究的現(xiàn)狀巖體結(jié)構(gòu)面被定義為不連續(xù)面，主要分為以下幾種情況：非連續(xù)結(jié)構(gòu)面、軟弱層面、節(jié)理、軟弱片理和軟弱帶等各種力學(xué)成因的破裂面和破裂帶等[3]。數(shù)學(xué)分析階段：近20年來，圍巖分析融合了諸多因素、多指標(biāo)，進(jìn)行定量評(píng)價(jià)與定性指標(biāo)量化評(píng)價(jià)相結(jié)合，對(duì)巖體的理論基礎(chǔ)和不確定性加深了的認(rèn)識(shí)，在數(shù)學(xué)上，模糊數(shù)學(xué)、灰色理論等數(shù)學(xué)工具的出現(xiàn)，也為巖體的不確定性帶來了新的解決問題的方法，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)開始與數(shù)學(xué)工具相結(jié)合[3]。(1)圍巖穩(wěn)定性研究發(fā)展歷史巷道圍巖穩(wěn)定性分析是圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)的基本方法的其中之一，也是地下工程設(shè)計(jì)中必然進(jìn)行的基礎(chǔ)，也是礦山建設(shè)投資的重要依據(jù)，是進(jìn)行科學(xué)管理與評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的工具，巷道圍巖穩(wěn)定性分析發(fā)展，歸納起來可認(rèn)為經(jīng)歷了以下四個(gè)階段：經(jīng)驗(yàn)判定階段：在巷道圍巖穩(wěn)定性研究的初期，由于對(duì)巖體的理論基礎(chǔ)和破壞因素認(rèn)識(shí)不足，局限于研究人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 嚴(yán)重依賴某單一因素的定性判定階段。然而實(shí)際工程中巷道圍巖的性質(zhì)并非連續(xù)、均勻的，巷道圍巖中存在著許多或大或小的裂隙群，在外部環(huán)境影響下，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展直至貫通，使圍巖產(chǎn)生不同程度的破壞，從而影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，從而也會(huì)影響到煤炭開采工作的安全進(jìn)行。從地表向地下開掘的各類通道和硐室都稱為巷道。近年來我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，電力、冶金、建材、化工等行業(yè)的高速發(fā)展導(dǎo)致了對(duì)煤炭需求的大幅度增加。近年來，全球經(jīng)濟(jì)迅猛增長(zhǎng)，石油及天然氣價(jià)格明顯上漲，導(dǎo)致全球煤炭需求增長(zhǎng)趨勢(shì)越來越明顯，價(jià)格逐步攀升。目前，世界煤炭可采儲(chǔ)量約為9000多億噸，按照目前的全球生產(chǎn)能力，煤炭資源尚可開采不到200年，而石油大約開采不到50年，天然氣大約可以開采約50多年。目 錄1 緒論 1 1 1 3 42 巷道圍巖穩(wěn)定性分析的理論基礎(chǔ) 6 6 9 12 16 16 16 18 18 21 24 24 26 28 28 30 32 32 34 36 36 38 41 41 41 44 44176。裂隙方位的變化對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響 475主要結(jié)論 50參考文獻(xiàn) 51翻譯部分 52致 謝 78中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2010屆本科生畢業(yè)論文 第 78 頁1 緒論 煤炭是我國(guó)的主題能源，在我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭資源占到了一半以上。若按同等熱值計(jì)算，燃用天然氣、石油的運(yùn)行成本比燃用動(dòng)力煤成本大得多。國(guó)內(nèi)煤炭需求也旺盛。為了開采煤炭，挖掘巷道是所有采礦工程的第一步。因?yàn)轭A(yù)防和控制煤礦事故的發(fā)生是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)工作的中心，煤炭安全開采是煤炭工業(yè)健康發(fā)展的前提和保證，所以建設(shè)安全的巷道更是煤炭開采的核心。因此研究巷道圍巖穩(wěn)定性的力學(xué)機(jī)理與影響因素，探討其定性定量的規(guī)律，對(duì)工程實(shí)際具有重要的指導(dǎo)作用。專家評(píng)分階段：到20世紀(jì)70年代，對(duì)圍巖的破壞的理論基礎(chǔ)有了加深的認(rèn)識(shí)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響因素從單一因素到多因素、多指標(biāo)發(fā)展，同時(shí)對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)在定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了量化，對(duì)定性指標(biāo)采取專家的建議[3]。智能分類階段：隨著對(duì)巖體不確定性加深了認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)巖體性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對(duì)巖體的認(rèn)識(shí)難以加深，而在20世紀(jì)的80年代末，人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，同時(shí)現(xiàn)代的控制理論、信息學(xué)、系統(tǒng)工程等學(xué)科的發(fā)展對(duì)巖體力學(xué)的發(fā)展帶來了新的認(rèn)知方法，運(yùn)用專輯系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代智能技術(shù)手段在圍巖穩(wěn)定性分類上，對(duì)巖體的不確定性進(jìn)行運(yùn)算分析[3]。對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的定量描述是復(fù)雜的課題，大致包括了兩個(gè)方面：(1)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)收集的定量、半定量的資料[3]。其中第二個(gè)內(nèi)容目前主要包括兩個(gè)步驟:一是用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面參數(shù)進(jìn)行定量化描述和分析；第二是用計(jì)算機(jī)模擬巖體結(jié)構(gòu)，分析其特征。(1964)研究了巖體結(jié)構(gòu)面形狀統(tǒng)計(jì)分布,建立了“”各項(xiàng)異性及其分布特征，周創(chuàng)兵發(fā)展了巖石節(jié)理張開度的概率模型[3]；謝和平等研究了節(jié)理表面形態(tài)的分布特點(diǎn)，探討了分維值與結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的主要因素[3]。更重要的是，裂隙網(wǎng)絡(luò)模擬技術(shù)的發(fā)展給人們開拓了新的研究思路，近年來,Kulatilake和潘別桐等在巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)生成方面做了許多研究；陳劍平、周維恒等(1995)發(fā)展了結(jié)構(gòu)面三位網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，并將模擬技術(shù)與節(jié)理巖體力學(xué)參數(shù)取值研究相結(jié)合[3]；陳征宇等(1998)應(yīng)用非平穩(wěn)態(tài)隨機(jī)過程模擬裂隙間距,并通過MonteCarlo方法生成方針裂隙網(wǎng)絡(luò)[3]；SenZ,進(jìn)而進(jìn)行巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)[3]；陳乃明等通過接力網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)模擬研究探討了節(jié)理網(wǎng)絡(luò)的分形維數(shù)與結(jié)理參數(shù)的關(guān)系，實(shí)踐中，裂隙網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工程應(yīng)用尚需發(fā)展，尤其是在根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模擬結(jié)果評(píng)價(jià)巖體力學(xué)特性，計(jì)算巖體損傷張量、滲透張量及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面[3]。用彈塑性力學(xué)理論分析圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的有限元程序廣泛應(yīng)用，邊界元及邊界元與有限元耦合法在隧道工程中的應(yīng)用也有不少成果；用于裂隙巖體的塊體理論和離散元理論也發(fā)展出了相應(yīng)的程序。圍巖在工程中的理論基礎(chǔ)是什么？如何描述？它與人工支護(hù)體的相互作用特征怎樣？這些基礎(chǔ)問題至今仍然未得到解決。因此，作為以應(yīng)用技術(shù)為主的研究人員, 在處理工程技術(shù)問題中，應(yīng)端正好研究問題的重心，不必在繁瑣的計(jì)算問題上糾纏不休，而忽視了簡(jiǎn)單而有效的方法。圍巖穩(wěn)定性分析中存在基礎(chǔ)理論不成熟、失穩(wěn)判據(jù)難以確定、思維方式禁錮等問題。工程條件的差異、量測(cè)誤差等使其帶有顯著的定性使用的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中發(fā)生和上述標(biāo)準(zhǔn)的不一樣現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生；有的軟弱圍巖當(dāng)變形值超出規(guī)范允許值數(shù)倍仍未發(fā)生失穩(wěn)；反而在淺埋隧道中，有的變形尚未達(dá)到允許值卻發(fā)生了坍塌；此