【正文】 外，還有統(tǒng)計分析的原因，用于穩(wěn)定性分析的數(shù)據(jù)滯后，使不穩(wěn)定地層的穩(wěn)定性分析難以真正應(yīng)用于實施量測的工程，人們在數(shù)值模擬和理論分析時經(jīng)常查閱國內(nèi)外有關(guān)圍巖穩(wěn)定性的規(guī)范，大多數(shù)標準并不確定只是給了一個大概的范圍，部分定量指標通常是根據(jù)經(jīng)驗和統(tǒng)計資料得出。對圍巖失穩(wěn)的判斷主要還停留在依靠經(jīng)驗的判斷上，建立定量的失穩(wěn)判斷標準仍然需要廣大的研究人員長時間的艱辛勞動。綜上所述：巖體力學理論機理的不成熟成為地下工程圍巖穩(wěn)定分析方法目前還難以擺脫經(jīng)驗與工程類比方法的主要原因。(1)解析法在進行圍巖穩(wěn)定性分析時,解析法是采用復變函數(shù)法進行圍巖應(yīng)力場與變形場計算,并能得出彈性解析解。當硐室是非圓形時,就需要通過保角變換,而的映射函數(shù)則就變成問題的求解關(guān)鍵。但是解析法分析目前多限于深埋的地下工程,對于淺埋隧道圍巖分析在數(shù)學處理上存在一定的困難。多數(shù)的工程問題在特定條件下用數(shù)值法求解更能貼近實際。DDA方法是基于巖體介質(zhì)非連續(xù)性發(fā)展起來的一種新的數(shù)值分析方法。 離散單元法這一方法已在巖土工程問題中得到越來越多的應(yīng)用。塊體單元法是以塊體單元的剛體位移為基本未知量,根據(jù)它們在外力作用下的平衡條件、變形協(xié)調(diào)條件及塊體之間夾層材料的本構(gòu)關(guān)系,建立起塊體單元法的支配方程,用于確定塊體位移及夾層材料的應(yīng)力狀態(tài)。FLAC。其缺點是計算邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性。邊界元法將偏微分方程變換成求解對象邊界上的積分方程式并將其離散化求解。塊體 彈簧元分析法該模型在分析節(jié)理巖體的穩(wěn)定性時具有一定的優(yōu)點,可以反映圍巖不連續(xù)的變形和運動規(guī)律。(3)不確定性方法影響地下硐室圍巖穩(wěn)定性因素主要為地下巖石的性質(zhì)、巖石的組合形態(tài)、巖石地下應(yīng)力狀態(tài)以及地下水的賦存情況等,這些因素具有很大的不確定性,表現(xiàn)出隨機性和模糊性,因此可采用模糊數(shù)學和可靠度方法進行研究。為工程設(shè)計和制定相應(yīng)工程措施提供重要依據(jù)Error! Reference source not found.。地下工程圍巖開裂和破壞主要由于結(jié)構(gòu)面的斷裂擴展和連通,所以斷裂和損傷力學方法評價節(jié)理裂隙巖體穩(wěn)定性和變形行為已成為常用的分析方法；此外,反分析等方法也被應(yīng)用于圍巖的穩(wěn)定性分析中。如：將解析法與數(shù)值方法相結(jié)合的半解析元法被應(yīng)用于模擬雙孔平行隧道施工過程；模糊數(shù)學和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也已被應(yīng)用于圍巖的穩(wěn)定性分類中。本文結(jié)合工程實際情況，以圍巖穩(wěn)定性的彈性力學、斷裂力學理論為基礎(chǔ)，主要運用數(shù)值模擬的手段，采用ANSYS軟件對含非連續(xù)結(jié)構(gòu)面以及裂隙的圍巖穩(wěn)定性進行系統(tǒng)地研究，具體研究內(nèi)容與方法如下：（1）結(jié)合工程實際情況建立馬蹄形隧道的數(shù)值計算模型，利用接觸單元模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的工作性狀，分析含有非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的隧道圍巖的應(yīng)力與位移場的分布規(guī)律。（2）針對裂隙對圍巖穩(wěn)定性的影響程度問題，建立在直墻拱形巷道周邊有單一裂隙圍巖的平面應(yīng)變數(shù)值模型，分析不同位置、不同方位的裂隙對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，對裂隙的危害程度作出評價。它們嚴重地破壞了巖石的完整性。在巖石力學中常用到“巖塊”、“巖體”、“巖石”等術(shù)語，一般地被結(jié)構(gòu)面切割成的巖石塊體或從地殼巖層中切取出來的無顯著軟弱面的巖石塊體稱為巖塊，而把自然埋藏條件下的大范圍分布的由巖塊和各種結(jié)構(gòu)面（軟弱面）網(wǎng)絡(luò)組成的地質(zhì)體稱為巖體。 巖石的結(jié)構(gòu)包括兩個基本要素：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。1節(jié)理；2層理；3斷層；4斷層破碎帶(a)整體結(jié)構(gòu)；(b)塊狀結(jié)構(gòu)；(c)層狀結(jié)構(gòu)；(d)薄層狀結(jié)構(gòu)；(e)鑲嵌結(jié)構(gòu)；(f)層狀破壞結(jié)構(gòu)(g)破裂結(jié)構(gòu)；(h)散粒結(jié)構(gòu)圖21為巖體的結(jié)構(gòu)型式 表21巖體結(jié)構(gòu)的基本類型巖體結(jié)構(gòu)類別地質(zhì)背景結(jié)構(gòu)面特征結(jié)構(gòu)體特征整體塊狀結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)巖性單一、構(gòu)造變形輕微的巨厚層沉積巖、變質(zhì)巖和火山溶巖、火成侵入巖結(jié)構(gòu)面少，一般不超過三組，延續(xù)性極差，多呈閉合狀態(tài)，無填充或含少量碎屑巨型塊狀塊狀結(jié)構(gòu)巖性較單一，受輕微構(gòu)造作用的厚層沉積巖和變質(zhì)巖、火成巖侵入體結(jié)構(gòu)面一般23組，裂隙延續(xù)性極差，多呈閉合狀態(tài)。結(jié)構(gòu)面多為泥膜、碎屑和泥質(zhì)充填板狀、薄板狀碎裂結(jié)構(gòu)鑲嵌結(jié)構(gòu)一般發(fā)育于脆硬巖層中，結(jié)構(gòu)組數(shù)較多，密度較大以規(guī)模不大的結(jié)構(gòu)面為主，但組數(shù)多，密度大，延續(xù)性差，閉合無填充或充填少量碎屑形狀不規(guī)則，但菱角顯著層狀碎裂結(jié)構(gòu)受構(gòu)造裂隙切割的層狀巖體以層面、軟弱夾層、層間錯動面等為主，構(gòu)造裂隙甚發(fā)達以碎塊狀、板狀、短柱狀為主碎裂結(jié)構(gòu)巖性復雜，構(gòu)造破碎較強烈，弱風化帶延續(xù)性差的結(jié)構(gòu)面，密度大，相互交切碎屑和大小不等的巖塊。巖石裂隙性的情況，通常采用裂隙頻率作為定量評價巖石被裂隙切割后破碎程度的指標。即單向裂隙率的倒數(shù)為成組結(jié)構(gòu)面之間的平均間距，以d表示： ()式中， 單向裂隙() 結(jié)構(gòu)面間平均間距(m) 平面裂隙率是指在單位面積上所有裂隙所占有巖石的面積總和，亦即： () 式中： 第i條裂隙面長度(m) 第i條裂隙面的寬度(m) 被測量的巖石總面積() 裂隙率愈大，表明巖石愈破碎、強度愈低透水性愈大，且易被風化產(chǎn)物所充填，形成軟弱結(jié)構(gòu)面，釀成工程隱患。由于巖石材料的不確定性，所以極限應(yīng)力并不是一個定值，它通常通過試驗求得的。巖塊是不連續(xù)的，是巖體的基本組成單元。巖體是指地質(zhì)體的一部分。強度就是它們的主要區(qū)別點：巖塊的強度主要取決于構(gòu)成巖石的礦物和顆粒之間的聯(lián)結(jié)力和微裂隙的影響；而對巖體強度起主要作用的則是巖體中的結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造特征。巖石材料破壞的形式有兩種：斷裂破壞和流動破壞（出現(xiàn)顯著的塑性變形或流動現(xiàn)象）。 巖石強度一般包括抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度，其中確定巖石工程穩(wěn)定性的主要因素主要是抗剪強度和抗壓強度。分別是：（1）解釋材料強度理論——脆性斷裂的最大拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)變理論由于巖石抗壓不抗拉，所以材料力學中第一、二、三、四強度理論不適用。巷道半徑相對巷道長度很小，按平面應(yīng)變問題考慮。因此，一般認為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為。斷裂損傷力學的發(fā)展，是對經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學的一個重要貢獻。斷裂力學的研究一般多限于宏觀裂紋（裂紋尺寸多數(shù)在數(shù)毫米或數(shù)厘米以上）。它認為材料總是存在分布性缺陷，即所謂損傷。(1)線彈性斷裂力學的基本理論Griffith(格里菲斯)斷裂強度理論Griffith認為任何固體材料其內(nèi)部和表面總會存在或形成或多或少、一定大小的裂紋。而裂紋不穩(wěn)定擴展的條件是由裂紋擴展時所釋放的彈性應(yīng)變能和形成新表面所吸收的表面能之間的失穩(wěn)現(xiàn)象所引起的。能量的關(guān)系是：1. () 則裂紋擴展前后的能量改變量： ()設(shè)裂紋長度原來為2a，則 ()
Griffith通過實驗假定，制造人工裂紋時和沒有裂紋時，每單位厚度應(yīng)變能之差值（釋放能量）：
()在封閉系統(tǒng)中整個系統(tǒng)位能改變量 ()也就是失穩(wěn)的臨界應(yīng)力。這樣就考慮了應(yīng)力集中對裂紋的影響，以下主要介紹伊爾文理論的計算方法。因而將裂紋分為以下三種形式如圖26所示：圖 26裂紋三種基本模式Ⅰ. 張開型（Ⅰ型）：由于張應(yīng)力的作用而張開，特點是裂紋上下面位移是對稱的。
Ⅲ. 撕開型（III型）由于橫向力偶使上下表面斷向（z方向）相對位移產(chǎn)生橫向扭剪。根據(jù)巖石抗壓不抗拉的性質(zhì)，本文使用最大拉應(yīng)力準則。在平面應(yīng)力情況下, 裂紋尖端的應(yīng)力分布的極坐標表達式為（）： ()根據(jù)最大拉應(yīng)力準則假定：裂紋擴展時，擴展方向的應(yīng)力強度因子達到臨界值，此時 ()式中為裂紋擴展角處的擴展拉應(yīng)力，將值代入得 ()最大拉應(yīng)力作用下的擴展角可由()得: ()裂紋起始擴展量沿著切向正應(yīng)力達到最大值的方向發(fā)生；也就說沿著豎直方向更容易發(fā)生擴展。有限元分析在工程領(lǐng)域的一個計算方法更廣泛的應(yīng)用，自成立以來，以其獨特的優(yōu)勢，廣泛的應(yīng)用計算的發(fā)展，已出現(xiàn)了不同的有限元算法，并由此產(chǎn)生了一批非常成熟的通用和專業(yè)有限元商業(yè)軟件。ANSYS軟件包括前和處理模塊，計算模塊和模塊后。此外還具有斷裂力學，復合材料，疲勞分析的特殊應(yīng)用。有限元在模擬工程問題時，雖然有強大的功能，但是仍有許多不可避免的問題，進行模擬實驗分析時，模擬參數(shù)越多，模擬理論越精細，實驗則越精細，從而實現(xiàn)難度越大，所以模擬試驗的結(jié)果不能單一作為重大工程的依據(jù)，它只能作為參考依據(jù)。并且，圍巖處于自然環(huán)境中，周圍充滿了許多的不可知性，這也對模擬結(jié)果產(chǎn)生了較大的影響。（1）數(shù)值計算模型 本章根據(jù)工程中常見的馬蹄形斷面巷道，采用ANSYS軟件建立巷道圍巖的平面應(yīng)變模型。其位移邊界條件為：模型兩側(cè)施加水平鏈桿，底部固支；如圖31所示。取巷道埋深1000m，本文采用砂巖作為試樣，所以圍巖上部施加載荷為25Mpa。計算中采用PLANE182單元劃分網(wǎng)格，如圖32所示。接觸問題按接觸對象分為兩種基本類型 ：剛體—柔體的接觸，柔體—柔體的接觸問題。接觸問題按照接觸形式分為五種基本的接觸模型，分為：點點接觸、點面接觸、線面接觸；線線接觸及面面接觸。根據(jù)接觸單元的規(guī)則，本課題屬于柔體—柔體的接觸問題，又由于是平面應(yīng)變問題，所以簡化成為線線接觸，使用CONTACT172和TARGET168單元。具體計算方案如下：①研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度的變化對巷道穩(wěn)定性的影響：巖性為砂巖，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的長度為50 m。②研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的變化對巷道穩(wěn)定性的影響：巖性為砂巖，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面距離巷道高度為10m。③研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度的變化對巷道穩(wěn)定性的影響,巖性為砂巖，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面長度為20m，距離巷道高度為20 m。30176。90176。150176。④研究巖石性質(zhì)變化非連續(xù)結(jié)構(gòu)面對巷道穩(wěn)定性的影響，巖石性質(zhì)分別為：砂巖、灰?guī)r、石英巖、強風化炭質(zhì)灰?guī)r、白云巖。分別考慮當摩擦系數(shù)為：、依次模擬摩擦系數(shù)對巷道穩(wěn)定性的影響。(a)無非連續(xù)結(jié)構(gòu)面 (b)h=25 (c)h=20(d)h=15 (e)h=10 (f)h=0 (g)h=10 (h)h=15 (i)h=20 (k)h=25圖33不同高度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平位移 圖34隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度變化巷道附近最大橫向位移由圖33中可以看出含有水平非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平位移是關(guān)于y軸對稱的。與135176。（2）巷道圍巖的鉛垂位移非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同高度時圍巖豎向位移云圖如圖35所示。（1）巷道圍巖的水平應(yīng)力非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同高度時圍巖水平應(yīng)力云圖如圖37所示。由圖38可以看出，當非連續(xù)結(jié)構(gòu)面靠近巷道，但是并未貫穿巷道時，越靠近巷道，巷道上最大的水平應(yīng)力越大；然而當非連續(xù)結(jié)構(gòu)面貫穿巷道時，巷道上的水平應(yīng)力反而明顯減小。(a)無非連續(xù)結(jié)構(gòu)面 (b)h=25 (c)h=20(d)h=15 (e)h=10 (f)h=0(g)h=10 (h)h=15 (i)h=20(j)h=25圖39不同高度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向應(yīng)力圖310隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度變化巷道附近最大豎向應(yīng)力由圖39可以看出巷道整體受壓，并且在巷道的兩側(cè)底部出現(xiàn)了最大壓應(yīng)力，豎向應(yīng)力關(guān)于y軸對稱。（1）巷道圍巖的水平位移非連續(xù)結(jié)構(gòu)面為不同尺寸時圍巖水平位移云圖如圖311所示。和135176。他只影響到非連續(xù)結(jié)構(gòu)面附近的水平位移，并且位移分布也是關(guān)于y軸對稱的。（2）不同尺寸非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向位移非連續(xù)結(jié)構(gòu)面為不同尺寸時圍巖豎向位移云圖如圖313所示。由圖314可以看出：隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的增加，巷道上的最大豎向位移并沒有明顯的改變。 (a)w=15 (b)w=18 (c)w= (d)w=30 (e)w=45 (f)w=60圖313不同尺寸非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平應(yīng)力圖314隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸變化巷道附近最大水平應(yīng)力由圖314可以看出：巷道的水平應(yīng)力分布關(guān)于y軸對稱，在巷道的兩側(cè)及底板存在拉應(yīng)力。（2）不同尺寸斷層造成的豎向應(yīng)力非連續(xù)結(jié)構(gòu)面為不同尺寸時圍巖豎向應(yīng)力云圖如圖315所示。在兩側(cè)存在最大壓應(yīng)力。（1）不同角度非連續(xù)面的水平位移非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同角度時圍巖水平位移