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工程地质力学及应用问题分析

 论文栏目:力学工程论文     更新时间:2018/11/7 8:35:25   

【摘要】对于工程地质力学而言,其主要的研究对象就是地质体的变形破坏规律以及基本特性。通过进行工程地质力学的研究,能够对地质体的状态做出判断,并进一步描述地质体的力学特点以及演化过程,进而为相关地质力学问题的解决打下基础。本文先对工程地质力学的基本特征进行研究,并进一步研究其具体应用。

【关键词】工程地质力学;具体应用;基本特征

1引言

随着国内科学技术水平的不断提高,我国对于工程地质力学的研究与应用水平得到了显著的提升。尤其对于损伤力学、岩石动力学以及地应力变化方面的分析与研究,已经取得了不错的成就。但是,目前在进行工程建设工作时,还存在着一些地质力学理论无法解决的难题。因而,现阶段进行工程力学的研究有着重要的意义。

2工程地质力学及其应用的概述

2.1基本概念

工程地质力学的主要研究基础就是地质体,通过对地质体的研究用以解决生活中的实际工程问题。总体而言,工程地质力学包含的学科相对较多,主要涵盖了地学、力学以及工程学等方面的内容。与地质力学相关的工程主要包含两大类:①地下工程。地下工程一般指不同种类的地下厂房以及地下开采工程,同时还包含大量的水电工程隧道等等。这一过程中,要对地质体的透水性特征以及活动断层等方面做出全面的剖析,并且要对应力卸荷后的地质体变形问题以及破坏规律进行分析。②地面工程。地面工程主要指航道、露天采矿区以及铁路边坡等工程,这些工程主要是大型基础设施建设。在进行地面工程的建设工作时,可能出现滑坡、泥石流以及崩塌等一系列的地质灾害问题。现阶段,由于边坡工程处理不当所导致的地质灾害问题频发。在进行地质力学的研究过程中,需要借助必要的仪器进行力学参数的测量,并参考测量参数结果进行相应的计算、实验与分析。

2.2工程地质力学的基本特征

2.2.1非连续性特征对于工程地质力学的非连续性特征而言,主要是因为裂隙等因素的存在,导致了不同区域的地质在受力后出现了一定的变形与应力不连续现象。非连续性和裂隙所占比重之间存在着正比关系,如果地质体的裂隙越多,那么其非连续性就越强。在地质体内部,存在着大量的断层以及裂隙节理软弱夹层(通常将其称为结构面)等等,二者之间有着一定的共性,比如两者都是复杂、有序的分布于地质体内部,同时也影响到地质体的整体强度。在进行力学设计方案的制定过程中,非连续性对其有着较强的干扰作用。总体而言,地质体内部主要由岩石以及土、水所构成。由于岩石种类的不同,因而地质力学的非连续性也有着较大的差别。2.2.2非均匀性特征在地质体中,由于块石与土的混合比例不一,并且块石的大小、形状以及空间、姿态等特征存在着一定的随机性。同时,由于土、石两种不同的材料有着不同的强度量级,并且土体存在着一定的断裂特征,因而造成土质有着更为复杂的力学特性。①地下工程不均匀。②地面工程不均匀。2.2.3耦合特性对于地质分析技术而言,在20世纪60年代之前主要是用于岩石矿物主元素以及次量元素组分含量的分析工作,分析工作主要以传统的化学分析为主,因而通常将其称为岩矿分析。到了20世纪70~80年代之后,伴随着国内岩矿痕量元素分析工作的不断深入以及分析技术的不断发展,以化学分析为主的方式逐渐被淘汰。耦合特性不单单指岩石或者是土作的特性,同时还包含了裂隙渗流规律等方面。

3工程地质力学应用中的若干问题

3.1地下工程的地质力学问题

地下工程所包含的种类较多,目前主要包括交通工程和水电工程建设过程中的一些地下隧道,同时还包含矿藏开采工作中的地下采空区等工程。对于这些地下工程而言,它与地质体的特性有着较为紧密的联系。岩体内部岩石的硬度和渗透性将直接影响工程建设的进度和成本,甚至可能对工程建设的可行性起到决定性作用。现阶段,在进行地下工程的建设工作中,地质力学的主要问题是变形和破坏,一旦在较高地应力的环境中,卸荷后,可能会发生变形和结构变化。比如交通工程施工建设以及地下隧道工程的施工建设过程中,都需要对地质体岩石以及透水性问题进行分析。在进行地下矿产的开采工作时,也要对岩石透水性和岩石密度等问题进行掌握。在进行锦屏二级水电站深埋长隧洞的地质问题的处理过程中以1号引水隧为例,隧洞长约1667km,沿线上覆岩体一般厚1500~2000m,最厚2525m。其中,非可溶岩总长2623.5m,占隧洞总长15.74%,可溶-弱可溶岩总长14047.8m,占隧洞总长84.26%。共揭露断层、破碎带202条,其中Ⅰ类结构面两条(断层F5、断层F6),Ⅱ类结构面7条。隧洞沿线主要工程地质问题为绿泥石片岩洞段软岩变形破坏,同时岩溶及地下水对工程的影响、岩爆破坏等。结合岩体工程地质性状,提出工程区岩石力学参数建议值,考虑到深埋条件下的岩体取值方法应与浅埋条件下显著不同,根据岩体强度参数确定方法提出引水隧洞区埋深大于1000m条件下不同围岩类别抗剪断强度建议值。

3.2地面工程的地质力学问题

对于地面工程来说,主要包含在地面部分所进行的一些大型基础设施的建设以及边坡工程等等。在对航道、铁路、公路边坡进行处理时,一旦施工不当可能导致灾害问题的出现。地面工程施工过程中,地质力学面临的主要问题是自然力的作用,地质体是否会出现破坏。其中,自然力主要包含重力作用、水作用等等。比如在进行公路以及航道建设工作时,需要借助于工程地质力学方面的理论指导工程建设,工程施工时要尽可能的防止自然灾害的发生。这一过程中,要通过采取合理的防护手段来避免自然灾害的出现,最大程度的确保人员与财产安全。在进行小湾水电站建设过程中,最大坝高2945m,坝顶宽度从中心到拱端由12m渐变到16m,拱冠梁底宽731m,左岸设推力墩,墩高350m,底长480m。大坝坝基开挖后,建基面岩体以微风化岩体为主。施工中,河床坝基、两岸坝肩沿新生或原有水平卸荷裂隙发生差异回弹和蠕滑,特别是低高程坝基岩体中出现强烈的松弛现象,成为主要工程地质问题。施工过程中对松弛岩体采取了清除、固结灌浆、锚固、铺设应力钢筋等综合处理措施;坝趾部位对卸荷岩体进行了开挖处理。

3.3研究方法存在的问题

工程地质力学涉及到的学科门类较多,并且地质工程有着较强的条理性、系统性与复杂性,其中的每个阶段之间都是互相影响、互相联系的。在进行整个地质工程的研究过程中,要根据研究目的的不同,对遇到的问题进行针对性处理。地质工程建设工作之前,首先要求建设人员对施工地点的地质条件做出详细的勘察与测量,同时还要根据勘察资料进行建设。工程地质力学研究与应用过程中,所用的研究方法与手段很多,但是由于受到资金等因素的限制,导致一些方法应用起来较为简化。长此以往,势必会对建设地点的地质测量工作造成影响,导致测量结果的精确度不能得到保障。一般来说,在工程地质力学的研究和应用中,最常用的方法是钻孔开挖法和位移监测法。二者相比较而言,后者更加科学合理。

4工程地质力学应用过程中的重点问题

4.1本构关系

连续介质力学的关键内容就是本构关系,由于连续介质力学所研究的材料具有离散性,因而可以使用一个方程进行相应结果的表述。连续介质力学通过方程将应力、应变率以及位移、速度梯度等因素联系在一起,在进行工程应用过程中,通过简单的方程设计,可以解决一些实际工程问题。之所以连续介质力学可以取得较好的结果,这与它自身特性是分不开的。①研究应用过程中,相应的研究对象可以简化为一系列连续介质,这样一来可以对研究过程进行简化;②相比于介质非连续性,连续介质力学在实际的应用工作中通常会被隐藏,因此,为介质力学提供了更好的表现机会。由于不同种类的介质本身具有非连续性,在进行地质体的非连续性描述时,能够使用两种方法来实现:①在连续介质的前提下,地质构造体对结构表面的影响被忽略了,同时可以借助于应力和应变存在的复杂关系,进行介质特性的等效处理。②当需要考虑地质构造表面的影响时,本构造关系将变得更加简单。

4.2初始状态

经过长时间的演化,地质体就呈现出现阶段的普遍状态。地质体的初始状态在其动态变化过程中发生变化。对于地质体的初始状态,主要是基于地质体的演化过程,例如,边坡开挖前的边坡状态就是边坡开挖工程中地质体的初始状态。在研究地质体初始状态的过程中,要分析整个工程地质结构的变化。地质构造的初始状态不仅会影响地质构造的破坏特征和规律,而且会极大地促进工程地质力学的发展。测量地质体初始地应力的方法有很多。如果地质地层相对均匀,则可以得到预期的结果。但是,如果地质构造比较复杂,应力分布会不均匀,实际测量工作中使用的传感器尺寸不能扩大到足够大的面积,因而会对应力值的测量结果造成影响。工程建设过程中,为了获得更准确的应力信息,在大多数情况下会设置多个测量点。岩体的初始状态主要包括结构面的一些特征,比如间距、方位以及形状等特性。对于土石混合物,初始结构面特征主要包括块石的分布和形态。

4.3地质体的演化

一方面,由于地质体有着较多的结构面,同时,结构面也会从不同角度影响应力的变化,因而在进行应力作用的研究工作时,根据实际情况建立相应的力学模型。另一方面,如果所研究的地质体结构比较复杂,那么地质体的破坏主要是从局部到整体的演化。这个过程的关键不是结构平面的演化,反而是结构面之外的岩块破坏现象。在研究地质体内部应力场的过程中,由于人为描述有着一定的难度,因而这一过程中可以借助于相关的力学模型以及必要计算方法进行。此外,由于现阶段的理论基础以及计算方法存在一定的欠缺,因而研究过程中要对这些因素进行考虑。

4.4其它特性

由于地质体还有着一些其它特性,比如非线性、非弹性特性等等,这些特性对于岩石结构面的空间分布有着一定的影响。比如地质体所具备的温度效应等特性,它和常见的一些固体材料有着较大的相似性,并且能够被地质体的其他特性所掩盖,因而这些性质对于工程建设并不会造成严重的影响,因而实际运用过程中也可以忽略不计。

5结束语

本文先对工程地质力学中存在的相关问题进行了研究,在此基础上,对工程地质力学应用过程中的重点问题进行了分析,希望能为读者提供一些帮助。

参考文献

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作者:蒙勇 单位:云南省地质矿产勘查开发局814地质队

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