它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时,又能计算岩块内部的变形与应力分布。该法主要用于分析节理岩体及其与锚杆(索)的相互作用[26] 。离散单元法计算原理简单,但计算机实施却非常复杂,涉及问题较多,主要有四个问题:动态松弛法、力和位移的计算循环、分格检索及数据结构。离散单元法中块体之间阻尼系数、运算的时间步长等参数的确定带有极大的任意性和盲目性,至今没有确定这些参数时可遵循的原则。当岩体并未被结构面切割成块体的集合时,这类理论就不甚适合。

    (5) 块体单元法

    任青文等提出的块体单元法[27, 28] ,是以块体单元的刚体位移为基本未知量,根据块体在外力和缝面应力作用下的平衡条件、变形协调条件及块体之间夹层材料的本构关系,采用变分原理建立起块体单元法的支配方程,用于确定块体位移及夹层材料的应力状态。该法可以解决非连续介质问题,特别适用于解决具有众多节理、裂隙岩体的变形、应力和稳定分析。与有限单元法相比,可减少未知量个数,提高计算精度和速度。

    (6) FLAC

    为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷, Cundall根据有限差分法的原理,提出了FLAC(Fast Lagrangion Analysis of Continuum)数值分析方法。文献[29]提出了基于该方法的分析模型,分析了页岩中水压力对隧洞稳定性的影响。文献[30]对基于FLAC计算理论的FLAC3D粘弹模型的二次开发并做了尝试。该方法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性,求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性[31] 。它的求解方法虽同离散元法的显式按时步迭代求解,但是结点的位移连续,本质上仍属于求解连续介质范畴的方法。

    (7) 边界元法

    边界元法又称为边界积分方程法,首先由英国学者B ribbia总结提出,并从20世纪60年代开始在工程计算中得到应用。边界元法只在求解区域的边界上进行离散(剖分单元) ,这样就把考虑问题的维数降低了一维,这也是边界元法的优点,但要求知道所研究问题的基本解。另外,边界元法计算精度高,应力和位移具有同样的精度。边界元法因为网格剖分简单,计算工作量及对计算机内存容量要求低,在某些问题中也是一个很好的方法,现在很多商用结构分析软件程序中也采用边界元法求解的功能供用户选择。边界元法也能求解物理和几何非线性问题及动力响应问题,但由于获取基本解的困难,相比有限元法还有很多工作要做。

    但是边界元法对变系数、非线性等问题较难适应,且它的应用是基于所求解的方程有无基本解,因此,限制了边界元法在更广泛领域的应用。而且边界元法对奇异边界较难处理。

    (8) 块体- 弹簧元分析法[32]

    Kawai于1987 年提出了采用简化的刚性块体来模拟不连续介质的刚体弹簧元数值模型。它以单元形心的刚体位移为基本未知量,仅考虑单元之间缝面的变形协调和本构关系来建立求解的支配方程,确定缝面的相对位移和应力。该模型在分析节理岩体的稳定性时具有一定的优点,可以反映围岩不连续的变形和运动规律。

    2. 3　工程地质类比法

    经验类比法是大型地下洞室群围岩稳定性评价的重要方法之一,尤其在勘测资料较少的可行性研究阶段,更能发挥其作用。围岩稳定性分类的方法主要有Stini法、Franklin法、Bieniawski的RMR法和Barton的Q 系统分类法, 以及Arild Palmstrom 于1995年提出的RM I(ROCKM ISS INDEX)法[12] 。围岩稳定性分类方法中包含参数较多,而有些参数难以准确测定。随着大型地下工程建设的迅速发展,国内外把围岩分类作为地下工程技术基础研究的重要课题之一。新的围岩分类方法从定性到定量、从单一指标向复合型指标发展,应用模糊数学理论的综合评判法[13] 、灰色系统理论[14, 15] 、神经网络理论[16] 、分形理论[17] ,使围岩分类更趋科学化、合理化。我国学者李世辉[18]提出了典型类比分析法隧道位移反分析技术,并编制了反分析程序(BMP90)。

    2. 4　模型试验方法

    地下工程围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随,模型与实际工程问题的相似性是模型试验解决问题的关键。针对理论分析中的种种缺陷和不足,国内外不少学者开展了大量的模型试验研究工作,得出了许多有益的结论。如荷兰S. C. Ban2dis[19]等进行了模拟高地应力条件下的圆形洞室开挖模型试验后认为:即使在超高应力条件下,围岩的各向异性性质还是很明显,其二次应力和变形都由岩体构造控制。模型试验方法多用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程。

    2. 5　不确定性方法

    现在的岩石力学正在从确定性研究转向非确定性方法研究的过程中[33] 。影响地下洞室围岩稳定性因素主要为地层岩性及其产状、构造结构面组合形态、地应力状态,以及水的赋存情况等[34] ,这些因素具有很大的不确定性。传统的分析方法用一个笼统的安全系数来考虑众多不确定性的影响。虽然某些参数(如材料强度等)取值时也用数理统计方法找出其平均值或某个分位值,但未能考虑各参数的离散性对安全度的影响[35] 。进入60、70年代以来,数理统计、概率论、可靠度分析等方法的应用扩大到更广的领域。但是这种方法仍然受到一些岩土工作者的反对和质疑,原因在于岩土工程本身的机理比较复杂,有些问题还未充分认识;岩土工程概率分析法还处于发展阶段,不少概念还很不明确,计算方法也不够简便;一些人对概率理论和方法不很熟悉。

    这些困难也促使一些岩土科技工作者潜心钻研,他们吸收地面结构概率分析的成果,针对地下工程的特点开展专题研究,虽未完全解决技术上的关键问题,但也取得了许多可喜成果[36] 。研究表明,概率和可靠度分析方法在不确定性越严重的问题中越能显示出其活力来。

    2. 6　系统工程法[37]

    常规的围岩稳定分析方法一般将围岩的地质因素、工程结构因素、洞室开挖支护过程等尽可能地细分,通过理论分析建立数学模型,从而进行确定性因果关系的力学分析。由于地下工程建设系统具有多层次、多因素等特点,其结构非常复杂;同时,隧道建设系统各个组成部分又是有组织的,形成有特定功能的整体,因而,隧道力学分析完全具备系统科学中所研究的“系统”的特征。所以,围岩稳定分析应该是对复杂的围岩系统的稳定性的模糊化认识和控制所作的数学模拟。它的对象是一个具有大量的处于相互作用之中的元素的复杂系统,其结构与信息等具有一定的模糊性,要求以系统科学作指导、以系统工程方法结合岩石力学常规理论来进行隧道围