巖體結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開 題 報(bào) 告 題 目 巖體結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì) 指 導(dǎo) 教 師 院（系、部） 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 姓 名 日 期 2011年3月25日 教務(wù)處印制一、研究的目的、意義和現(xiàn)狀研究目的和意義結(jié)構(gòu)面及其工程性質(zhì)的復(fù)雜性是造成巖體工程性質(zhì)千差萬別的最根本原因，結(jié)構(gòu)面的研究是分析工程巖體性質(zhì)的基礎(chǔ)性工作。工程實(shí)踐反復(fù)證明，自然巖體和工程巖體的失穩(wěn)源于結(jié)構(gòu)面，巖體的破壞機(jī)制在很大程度上受結(jié)構(gòu)面控制，因結(jié)構(gòu)面而造成失事的工程實(shí)例國內(nèi)外已不鮮見。研究結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)是評價(jià)巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題，因此，本文對此進(jìn)行研究。在巖體建造和改造過程中，經(jīng)受了各種復(fù)雜的地質(zhì)作用，因而在巖體中發(fā)

2、育有斷層、節(jié)理和各種裂隙等結(jié)構(gòu)面，實(shí)驗(yàn)題物理性質(zhì)十分復(fù)雜。由于結(jié)構(gòu)面的存在，特別是軟弱夾層的存在，極大地削弱了巖體的力學(xué)性質(zhì)及其穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)面的變形與強(qiáng)度性質(zhì)往往對工程巖體的變形和穩(wěn)定性起著控制性作用。在國內(nèi)外已建和在建的巖體工程中普遍存在有軟弱夾層問題。如黃河小浪底水庫工程左坎肩砂巖中由薄層粘土巖泥化形成的泥化夾層；葛洲壩水利工程壩基的泥化夾層，還有長江三峽自然岸坡中的各種軟弱夾層等。都不同程度地影響和控制著所在工程巖體的穩(wěn)定性。對巖體結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的研究，是巖體力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)中重要的研究課題之一，在工程實(shí)踐中有以下意義： (1)大量的工程實(shí)踐表明：在工程荷載(一般小于10MPa)范圍內(nèi)，

3、工程巖體的失穩(wěn)破壞有相當(dāng)一部分是沿軟弱結(jié)構(gòu)面破壞的。如法國的馬爾帕塞壩壩基巖體、意大利瓦依昂水庫庫岸滑坡、中國拓溪水庫塘巖光滑坡等等，都是巖體沿某些軟弱結(jié)構(gòu)面滑移失穩(wěn)而造成的。這時(shí)，結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)是評價(jià)巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。 (2)在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面及其充填物的變形是巖體變形的主要組分，控制著工程巖體的變形特性。 (3)結(jié)構(gòu)面是巖體中滲透水流的主要通道。在工程荷載作用下，結(jié)構(gòu)面的變形又將極大地改變巖體的滲透性、應(yīng)力分布及其強(qiáng)度。因此，預(yù)測工程荷載作用下巖體滲透性的變化，必須研究結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)及其本構(gòu)關(guān)系。 (4)工程荷載作用下，巖體中的應(yīng)力分布也受結(jié)構(gòu)面及其力學(xué)性質(zhì)的影響。 由于巖體中的

4、結(jié)構(gòu)面是在各種不同地質(zhì)作用中形成和發(fā)展的。因此，結(jié)構(gòu)面的變形和強(qiáng)度性質(zhì)與其成因及發(fā)育特征密切相關(guān)1-2。研究現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)面對工程巖體的完整性、滲透性、物理力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)力傳遞等都有顯著的影響，是造成巖體非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性和非線彈性的本質(zhì)原因之一。因此，全免深入細(xì)致地研究結(jié)構(gòu)面的特征是巖體力學(xué)中的一個(gè)重要課題。巖體結(jié)構(gòu)面對工程巖體的地質(zhì)特性有著重要影響。巖體中結(jié)構(gòu)面的分布位置、產(chǎn)狀、規(guī)模、隙寬、充填物特征、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)以及不同結(jié)構(gòu)面之間的切割與組合關(guān)系等因素不同程度地控制著巖體的工程地質(zhì)特性。巖體結(jié)構(gòu)面是影響工程巖體穩(wěn)定性的決定性因素。谷德振教授1，對巖體結(jié)構(gòu)面與工程巖體穩(wěn)定性的關(guān)系作了科學(xué)概

5、括，即巖體的完整性取決于結(jié)構(gòu)面的數(shù)量多少和性質(zhì)；巖體的穩(wěn)固性取決于結(jié)構(gòu)面的幾何形態(tài)和軟弱結(jié)構(gòu)面的泥化程度即結(jié)構(gòu)面的抗滑阻力。二十世紀(jì)五、六十年代法國瑪爾帕塞薄拱壩和意大利瓦依昂薄拱壩失事，使得人們對工程巖體的結(jié)構(gòu)特征、巖體的力學(xué)屬性、巖體的變形破壞機(jī)制與過程愈來愈重視，各國學(xué)者通過許多大型工程實(shí)踐和一系列災(zāi)害性的巖體失穩(wěn)時(shí)間逐步總結(jié)和認(rèn)識到了巖體中的各種結(jié)構(gòu)面對巖體變形及穩(wěn)定性所引起的重要作用。二十世紀(jì)世紀(jì)五十年代以來，人們對巖體結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)特征、幾何要素及力學(xué)特性進(jìn)行了廣泛且深入的研究。由于巖體結(jié)構(gòu)面大多深埋于巖體內(nèi)部，其分布又多是隨機(jī)的，因此對結(jié)構(gòu)面特征的研究受到很大的限制。通過大量的工程

6、實(shí)踐表明，巖體結(jié)構(gòu)面的幾何要素具有較好的統(tǒng)計(jì)分布特征，可以用統(tǒng)計(jì)特征表征巖體的結(jié)構(gòu)面各幾何要素，如結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布、性質(zhì)及規(guī)模。通過對揭露的結(jié)構(gòu)面地質(zhì)特征、工程特性、幾何要素參數(shù)的研究，對工程區(qū)內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分組，求取優(yōu)勢產(chǎn)狀，可以獲得科學(xué)有效的結(jié)構(gòu)面幾何要素參數(shù)，認(rèn)識、了解一般情況下難以觀測、深埋巖體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)面的組合特征，進(jìn)而深入的研究巖體結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)，有利于巖體破壞機(jī)理的分析及對工程區(qū)域內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀而有效的整體把握2。同時(shí)也有利于獲得一系列重要的巖體物理、力學(xué)參數(shù)，用于評價(jià)巖體的質(zhì)量、物理力學(xué)性質(zhì)，有利于對巖體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)據(jù)化管理、模擬及再現(xiàn)。由于巖體結(jié)構(gòu)面對工程巖體的工程地

7、質(zhì)特性有著重要影響，國內(nèi)外關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)面地質(zhì)特征及幾何要素的許多方面都進(jìn)行了較為深入的研究。在分析工程地區(qū)結(jié)構(gòu)面的工程特性時(shí)，需要首先對巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行科學(xué)合理的分組，近些年不少學(xué)者將聚類分析、模糊數(shù)學(xué)等理論運(yùn)用到優(yōu)勢組劃分的研究中。二十世紀(jì)五十年代，以LMuller為代表的奧地利學(xué)派最早認(rèn)識到結(jié)構(gòu)面對巖體力學(xué)特征和工程穩(wěn)定性引起控制作用，并認(rèn)為結(jié)構(gòu)面是構(gòu)成巖體和巖塊力學(xué)與工程特性差異的根本原因，從此開辟了結(jié)構(gòu)面研究的先河。六十年代谷德振、孫玉科提出了“巖體結(jié)構(gòu)”概念和巖體結(jié)構(gòu)控制巖體穩(wěn)定的重要研究。隨后孫廣忠3進(jìn)一步以“巖體結(jié)構(gòu)控制論"為指導(dǎo)研究了巖體變形、巖體破壞及巖體力學(xué)性質(zhì)的基

8、本規(guī)律，建立了完整的巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)體系，他認(rèn)為結(jié)構(gòu)面是由一定的地質(zhì)實(shí)體抽象出來的概念，在橫向延伸上具有面的幾何特征，而在垂向上則與幾何中的面不同，它常充填有一定的物質(zhì)、具有一定的厚度。1978年，國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和野外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化專門委員會(huì)提出了對巖體中結(jié)構(gòu)面定量描述的推薦方法，其中規(guī)定了對結(jié)構(gòu)面10個(gè)描述指標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、間距(或密集程度)、延續(xù)性、粗糙程度、側(cè)壁抗壓強(qiáng)度、充填情況、2數(shù)和塊體大小等。自二十世紀(jì)七十年代以來，范留明博士、Hudson4等人用概率統(tǒng)計(jì)方法對結(jié)構(gòu)面的幾何特征指標(biāo)進(jìn)行了定量描述。隨后人們對結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、跡長及估算方法、大小、形態(tài)、間距、粗糙度及連通率進(jìn)行了深入

9、的研究。從結(jié)構(gòu)面的幾何要素研究來看多側(cè)重于統(tǒng)計(jì)方法從宏觀上反映巖體結(jié)構(gòu)面的空間展布的規(guī)律，對于整個(gè)巖體形成過程的力學(xué)機(jī)理以及巖體變形、破壞等規(guī)律認(rèn)識有很好的指導(dǎo)作用。野外采集結(jié)構(gòu)面樣本數(shù)據(jù)的調(diào)查方法主要有：人工測量法、圖像攝錄分析法與立體相對攝錄分析法三種。工程實(shí)際中常采用人工測量法，但用攝影照相及數(shù)字識別技術(shù)對巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行識別，國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究也有不少，應(yīng)用效果也較為理想56。關(guān)于節(jié)理樣本產(chǎn)狀分布特征方面的研究自20世紀(jì)60年代以來就備受人們關(guān)注，CBingham7提出著名的Bingham提出分布，并研究節(jié)理極點(diǎn)的球狀分布特征。P.H.S.W.Kulatilake89研究節(jié)理產(chǎn)狀的雙

10、變量正態(tài)分布特征，并進(jìn)行了不連續(xù)面產(chǎn)狀的Fisher分布模型擬合。Gaziev和Tiden10通過統(tǒng)計(jì)方法研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)面的傾向和傾角服從正態(tài)分布。關(guān)于巖體結(jié)構(gòu)面分布密度已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如伍法權(quán)11，陳劍平1213，潘別桐、杜時(shí)貴等。陳劍平的研究給出了結(jié)構(gòu)面線密度、面密度以及體密度之問的相互關(guān)系，但是對于基本的線密度求算卻不夠完善；杜時(shí)貴14介紹了國內(nèi)外有關(guān)各種估值方法，但是未曾考慮到各種密度之間的相互關(guān)系：黃國明15分別就測線取樣法提出了線密度的確定方法和就窗口取樣法提出面密度估值方法，但是同樣未能反映線、面密度之間的關(guān)系，而且認(rèn)為線密度是各條測線所得密度的平均值，未能考慮測線

11、長度的影響。巖體結(jié)構(gòu)面的跡長是指平面上看到的結(jié)構(gòu)面的長度，是反映結(jié)構(gòu)面大小的重要參數(shù)。結(jié)構(gòu)面越長，對巖體的影響越大。由于巖體表面所揭露的結(jié)構(gòu)面有限，因此往往只能看到其部分長度，所以對結(jié)構(gòu)面跡長的估計(jì)和計(jì)算顯得較為困難。Priest SD，Hudson JA16首先對結(jié)構(gòu)面的空間分布及結(jié)構(gòu)面跡長與取樣測線的關(guān)系進(jìn)行了研究。Ku1atilake P.H.S.W，Wu. T.H.17介紹了巖體結(jié)構(gòu)面的跡長估算方法，1986年又研究了窗口內(nèi)出露可見跡長與真實(shí)三維空間結(jié)構(gòu)面大小的相互關(guān)系。黃國明、黃潤秋18建立了結(jié)構(gòu)面跡長與測量窗口尺度之間的關(guān)系，推導(dǎo)了裂隙中點(diǎn)服從均勻分布條件下的跡長估算公式。陳劍平1

12、9介紹了單測線法估算隨機(jī)節(jié)理跡長的數(shù)值技術(shù)，取得了較好的應(yīng)用效果。王貴賓，楊春和20等通過研究表明：當(dāng)直徑與測線法刪節(jié)長度相等時(shí)，擴(kuò)展測線法和圓形窗口法估計(jì)所得的巖體節(jié)理平均跡長比較接近，由此可確定研究區(qū)域的巖體節(jié)理平均跡長。不少研究表明，巖體結(jié)構(gòu)面跡長多服從負(fù)指數(shù)分布2122或者對數(shù)正態(tài)分布23。目前進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的隙寬、粗糙度等幾何參數(shù)施測的方法主要有兩大類：機(jī)械方法和光學(xué)方法24，還有投影法和電感應(yīng)法等。機(jī)械方法常采用千分表、塞尺等精密儀器逐點(diǎn)量測裂隙面各點(diǎn)的高程然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲得裂隙的張開度、粗糙度等幾何參數(shù)，這種方法雖然工作量較大，但由于其施測思路清晰、直觀、簡便、精度高，已被越來越多

13、的研究工作者采用。光學(xué)方法中的云紋法，其精度較低，很少采用。天然巖體中的結(jié)構(gòu)面表面粗糙，隙寬不均勻，通常采用等效隙寬進(jìn)行處理。用放射性指示劑研究結(jié)構(gòu)面形狀，前蘇聯(lián)學(xué)者在這方面研究較多。該方法是根據(jù)指示劑的相對濃度與裂隙出水體積之間建立關(guān)系式，然后推算出裂隙的平均體積開度。切爾內(nèi)紹夫?qū)⒂脵C(jī)械方法測得的結(jié)果與指示劑方法推算的平均隙寬進(jìn)行了比較，結(jié)果十分一致。Elsworth25應(yīng)用壓水試驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)也有其獨(dú)到之處。Witherspoon(1981)建議對典型裂隙結(jié)構(gòu)面測得其最大隙寬及寬度頻率分布函數(shù)，然后計(jì)算其等效隙寬。Moreno等(1988)采用立方倒數(shù)的方法對結(jié)構(gòu)面隙寬進(jìn)行平均，得出

14、結(jié)構(gòu)面的等效隙寬；還可以用實(shí)測結(jié)構(gòu)面隙寬的算術(shù)平均數(shù)作為結(jié)構(gòu)面的等效隙寬。二、研究方案1、論文的主要內(nèi)容 （1）結(jié)構(gòu)面：結(jié)構(gòu)面的成因類型、結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及分級、結(jié)構(gòu)面特征及其對巖體性質(zhì)的影響、軟弱結(jié)構(gòu)面（2）變形性質(zhì)：結(jié)構(gòu)面的法向變形性質(zhì)與剪切變形性質(zhì)（3）強(qiáng)度性質(zhì)：平直無充填的結(jié)構(gòu)面、粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面、非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面、具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面四種結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)2、研究方法與技術(shù)路線結(jié)構(gòu)面理論研究變形性質(zhì)篩選資料整合 強(qiáng)度性質(zhì) 三、論文框架1 緒論1.1 選題的目的和意義1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3 論文主要內(nèi)容 2 結(jié)構(gòu)面 2.1結(jié)構(gòu)面的成因類型2.2 結(jié)構(gòu)面的規(guī)模及分級2.3 結(jié)構(gòu)

15、面特征及其對巖體性質(zhì)的影響2.4 軟弱結(jié)構(gòu)面2.5 本章小結(jié)3 結(jié)構(gòu)面的變形性質(zhì)3.1 結(jié)構(gòu)面的法向變形性質(zhì)3.2結(jié)構(gòu)面的剪切變形性質(zhì)3.3 本章小結(jié)4 結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度性質(zhì)4.1 平直無充填的結(jié)構(gòu)面4.2 粗糙起伏無充填的結(jié)構(gòu)面4.3 非貫通斷續(xù)的結(jié)構(gòu)面4.4 具有充填物的軟弱結(jié)構(gòu)面4.5 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定 4.6 本章小結(jié)5 結(jié)論 致謝 參考文獻(xiàn)附錄A 譯文附錄B 外文文獻(xiàn)四、研究進(jìn)度第5周：聽取導(dǎo)師講解論文題目；第6周：查閱和論文題目相關(guān)的資料；第7-10周：對查閱到的材料進(jìn)行摘節(jié)；第11-12周：為論文定下整體框架；第13周：開始撰寫論文初稿；第14周：查閱英文資料并翻譯；第15周：

16、論文排版并完整化；第16周：校驗(yàn)；第17周以后：參加學(xué)士學(xué)位論文答辯。 五、主要參考文獻(xiàn)1 谷德振.巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)M.北京：科學(xué)出版社,1979.2 張浩然.巖體結(jié)構(gòu)面地質(zhì)特征與幾何要素研究D.河海大學(xué)，2008.6.3 孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)M.北京：科學(xué)出版社,1988.4 Priest S.D.,Hudson J. A . Discontinuity spaciIlg in rockJ.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.and Geomech,1976,(13)：135-148.5 D Deb, S. Hariharan, U.M. Rao, Chang-Ha Ryu.

17、 Automatic detection and analysis of discontinuity geometry of rock mass from digital imagesJ. Computers & Geosciences. 2007,3.6 李亞萍.甘肅北山花崗巖裂隙幾何學(xué)特征研究D.中國地震局地質(zhì)研究所碩士論文,2005.7 C.Bingham. Distributions on the sphere and on the projective planeD. New Haven,Connecticut, USA: Yale University, 1964.8 Ku

18、latilake P .H. S. W, Wu T. H. The density of discontinuity traces in sampling windowsJ. Int. J.Rock Mech. Min. Sci. and Geomech, 1984, 21(6):345-347.9 Kulatilake P.H.S.W, Chen J,Teng J. Discontinuity geometry characterization in a tunnel close to the proposed permanent shiplock area of the three gor

19、ges darn site in ChinaJ. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech, 1996, 33(3):255-277.10 E.G.Gaziev and E.N.Tiden. Probabilistie Approach to the study of jointing in Rock MassesJ,Bulletin of the Int.Assoe.of Engineering Geology, 1979,1 (20).11 伍法權(quán).統(tǒng)計(jì)巖體力學(xué)原理M.武漢: 中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.12 陳劍平,肖樹芳,王清.隨即不連續(xù)面

20、三維網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬原理M,長春:東北師范大學(xué)出版社,1995.13 陳劍平，王清，肖樹芳.巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)分?jǐn)?shù)維計(jì)算機(jī)模擬J.工程地質(zhì)學(xué)報(bào),1995, 3(5):80-85.14 潘別桐,杜時(shí)貴,徐光黎等,巖體結(jié)構(gòu)模型與應(yīng)用M.武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1993.15 黃國明,黃潤秋.復(fù)雜巖體結(jié)構(gòu)的幾何描述J.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào),1998, 25(4):552-558.16 Priest S.D., Hudson J A. Estimation of Discontinuity Spacing and Trace Length Using Scanline SurveysJ. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech, 1981, (18):183-197.17 Kulatilake P. H .S .W, Wu T. H. Estimation of mean trace length of discontinuitiesJ. Rock Mech Rock Eng. 1984, 17:215-232.18 黃國明,黃潤秋.基于交切條件的不連續(xù)面平均跡長估算法J.地質(zhì)科技情報(bào)19