优势结构面

3.合肥工业大学 建筑工程学院)

1

2

1

1

3

摘 要：本文介绍了优势结构面理论的发展和在岩土工程中的应用。其应用范围包括岩土工程区域稳定性问题、岩体结构面力学参数问题、岩体质量问题、岩体地基沉降变形问题、土体中的宏观优势结构面问题和岩土工程加固问题等。实践证明：优势结构面控制和评价区域稳定性有6种基于优势结构面理论的新方法；当测试结构面的力学参数时，应测优势结构面上的力学参数，同时要考虑围压效应；在评价岩体质量时，应加大优势结构面上岩体质量的权重值；在相同应力条件下，考虑优势结构面效应时，计算的地基变形量比不考虑优势面效应时要大，说明优势结构面对地基变形有明显影响；工程加固中要抓住优势结构面这一关键因素。 关键词：优势结构面理论；区域稳定性；优势面力学参数；岩体质量；地基变形；工程加固；土体 收稿日期：2000-06-06

基金项目：江苏驶通科技项目资助。

作者简介：蒋建平(1968-)，男，湖南邵阳人，南京大学博士研究生，专业为城市环境岩土工程。

优势结构面理论是罗国煜教授在几十年实践基础上建立起来的，首先就岩坡问题于1979年提出，正式发表于1981年

［1］

。之后，在工程地质、岩土工程、地质灾害和环境地质

中得到了广泛的应用，并取得了重要成果。近一两年将优势结构面理论继续应用于一些岩土工程实践中，使得优势结构面理论得到了深化和发展，其应用范围得到了拓展，能以新的思路和分析方法解决岩土工程中的一些问题，如工程的区域稳定性问题、岩体力学参数选择、岩体质量、岩体地基沉降变形和工程加固问题等。这几个问题正是容易被忽略的问题，如注重地基稳定性，而忽略区域稳定性；测结构面的力学参数时，测的不是优势结构面的力学参数；没有注重优势结构面上的岩体质量；工程加固中没能抓住控制失稳的优势结构面这一主要矛盾；忽略土体中宏观优势结构面的分析等。所以，有必要用优势结构面理论对这几个问题进行分析和探讨。

1 优势结构面理论简介

岩体结构控制论最初由中国科学院地质研究所工程地质研究室提出(谷德振，1979)

［2］

，其他人在这方面也有研究

和发展

［3］

。优势结构面分析观点就是植根于这一理论，并取

［4］

得可喜进展(孙广忠，1993) 岩体结构控制论认为，岩体是不完整的，它被各种各样的结构面所切割，这些结构面包括节理裂隙、断层面、劈理、缝、软弱层等

［2］

。优势结构面就是

上述各种结构面中按一定的优势指标找出的对岩体稳定性起控制作用的结构面。优势结构面理论是解决岩土工程问题的一种新的研究观点和方法(张苏民，1993)［5］

，它以系统工程分析方法为指导，以优势结构面分析为中心(黄润秋，张倬元，王士天，1991)

［6］

，它认为优势结构

面或优势断裂是指对区域稳定性或岩体稳定性起控制作用的结构面，以及对气、液介质起控制作用的结构面，优势结构面不限于三维结构概念，认为时间因素是主导因素；以形成时间新、活动性强、破碎带软弱和富水为特征；用优势指标判定优势结构面，以优势结构面组合为岩体稳定性模型，使地质分析和定量评

。

图1 优势面理论基本思路框图

价相结合，定值论与非定值论并举(罗国煜等)

［7-14］

(图1).

优势结构面(或优势面)理论提出后，在国内外产生了重大影响，应用于黄河黑山峡工程、黄河大柳树坝址工程、长江三峡高边坡岩体工程、宁波大桥工程等十几个岩土工程，并在润扬长江公路大桥区域稳定性和岩体质量评价和南京市基岩工程特征评价等研究课题中取得了重要成果。

优势结构面理论的最大特点就是先注重扎实的、系统的地质分析，再据优势指标找出优势结构面及优势结构面形成的破坏模式，然后建立相应的力学数学模型，向量化分析方面发展。

2 岩土工程区域稳定性问题

区域稳定性指的是构造稳定性。优势结构面理论认为

［10，14］

图2 区域优势断裂控稳

，对任何一个工程要先从

宏观上看稳不稳，即先分析区域优势结构面(即区域优势断裂).如图2所示，构筑物地基本身稳，其实它不稳，看深一点就知道，因为深部存在一条大的活断裂(优势结构面)；某桥墩看其本身稳，看宽一点，它就不稳，

沿优势结构面发生塌岸时桥墩会垮塌。

所以区域稳定性评价是相当重要的，优势结构面理论的区域稳定性评价具有以下新思路和分析方法：

(1)优势结构面理论认为优势断裂(即优势结构面)控制区域稳定性，优势断裂是指活动性相对强且对工程稳定性影响较大的断裂，从而抓住了主要矛盾。

(2)对于控制区域稳定性的优势断裂，存在优势段和组合优势段，优势断裂在工程上还存在横向分带性

［19，20］

。

断裂分段可概括为4种：断裂形态的几何学分段、结构分段、活动性分段和破裂分段。如润扬大桥桥基的夹江断裂中就存在分段性，在世业洲桥位与渡口桥位断裂切割岩性不同，世业洲桥位断裂角砾岩成分主要以花岗岩及砂岩为主，渡口桥位断裂角砾岩则以泥岩、砂岩为主，棱角明显，且断裂带宽度、胶结程度、内部结构都有差异；断层泥分维值、成熟度和和目前活动度东西两段均有差异。

从断层岩的矿物组成、显微特征、岩体结构、物理力学性质、渗透性等诸方面来研究与评价断裂的工程横向分带性，系统研究各分带的工程地质特征和针对各带提出相应的工程对策，对评价断裂带和合理选取岩体参数以及指导工程设计具有实际应用意义，对系统论证建在断裂带上的特大型

桥梁工程的合理设计、工程措施和安全运行也具有重大意义。从上述思路出发将润扬大桥工程中的中桥位世业洲桥基断裂分为构造透镜体带、劈理化带、碎裂岩带、火成岩与围岩接触带、构造影响带、节理发育带等。

据此，在区域稳定性评价中，优势结构面理论以找寻和评价优势断裂为关键，在场地稳定性评价中又以找寻优势断裂的优势段和组合优势段为核心，也是找寻潜在震源和评价建筑场地条件，以作好抗震设计的基础。并且，优势断裂的分段和分带就为在优势断裂中寻找相对稳定部分提供了依据。

(3)用优势指标法、REPP专家系统和人工神经网络法(ANN法)寻找优势断裂，建立多种区域稳定性智能评价与控制系统的新模型，包括神经网络专家系统评价模型、模糊ANN评价系统模型、GIS评价信息系统模型及它们相互结合的综合智能评价系统模型等

［15］

。

(4)提出了用断层泥的显微和定量特征来评价隐伏断裂的抗震和抗断难题的新思路和方法［20］。

(5)区域稳定性和地基稳定性相结合、工程地质和地震工程结合的评价原则。

(6)研究的技术路线：①构造大单元特性；②找优势断裂(方法有：地质分析、物探、岩分析、测年、断层泥分析)；③优势断裂分级(方法有：地质分析、系统分析、人工神经网络)；④综合评价。 3 岩体结构面力学参数问题

邓宜明和李坚诗(1987)的调查资料显示

［3］

，大瑶山隧道

施工过程中出现的29次塌方，有22次塌方与结构面有关，占塌方总数的75.9%；郭志(1996)列举了三峡水库坝基、小浪底水库左坝肩、法国的布泽坝等13个国内外著名工程受结构面影响的实例。可以看出，岩体结构面控制岩体的稳定性，其力学参数的合理取值，是岩体稳定分析和各种数值方法得以成功应用的关键。 龚晓南(2000)

［16］

指出，结合岩体断裂力学和其它新理

论、新方法的研究进展，开展影响工程岩体稳定性的结构面几何学效应和力学效应研究是非常有意义的。

自20世纪50～60年代以来，随着水利、交通、建筑等领域大型工程的兴建，极大地促进了岩体力学的发展，岩体内部不连续面(结构面)对岩体稳定性的控制作用越来越受到重视。目前常用的岩体稳定性分析的数值计算方法，如刚体极限平衡理论、有限单元法等，都考虑了软弱结构面的作

用。然而，决定数值分析结果可靠性的最基本的问题，即确定结构面参数的方法，虽仍在发展，但与不断涌现的结构面模型和相继提出的破坏屈服准则等精细复杂的计算手段相比，其发展速度相形见拙

［17］

。这使得高精度数值计算方法

的发展同结构面参数选择方面的停滞不前形成了显而易见的矛盾。

作者认为，测结构面的力学参数时主要应测优势结构面的力学参数，并要加强测量的精度，这一点是本文着重要指出的。具体方法分以下两步：

(1)找到最危险控制失稳结构面 优势结构面。方法有优势指标法、ANN法、专家系统法等。

①优势指标法：根据一定的优势指标可以确定出优势面

［11］

，如下式所示：

CP(I)＝T·TP(I)+Q·QP(I)+N·NP(I)+G·GP(I)+D·DP

(I)

式中：CP(I)为结构面I的综合指标；TP(I)、QP(I)、NP(I)、DP(I)和GP(I)分别为第I结构面的时间、性质、数量、规模和分形优势指标；T、Q、N、G、D分别为时间(指最后一次活动的时间)、性质、数量、规模和分形(指结构面的分形维数)优势指标对应的权值。当CP(I)≥优势判据CN时，

I结构面为优势面。②人工神经网络法(ANN法)：在润场大桥工程中，采用BP网络结构作为模式分类器，网络拓扑结构为(4，5，6)，网络训练学习参数：学习因子取0.328，势态因子取0.186，均方差0.00050，训练迭代次达11400次

［15］

。

③专家系统法：采用的是罗国煜等开发的ROPP专家系统。

通过以上方法，找出润扬大桥桥址区地质优势结构面有：夹江优势结构面、世业洲优势结构面；统计优势结构面有：4组节理中的第1组(倾角50°)和第2组(倾角45°). (2)测优势结构面的力学参数。测试优势结构面的力学参数时，要注意优势结构面所处的围压效应，以免测得的参数偏小。目前测试优势结构面的力学参数的方法主要有： ①综合分析方法：通过宏观力学特征和微观颗粒组构的综合分析，并结合工程类比法和专家意见，提出确定软弱夹层(即优势结构面上物质)物理力学参数的综合分析方法。 ②工程地质类比方法：在有关现场试验的基础上，利用工程地质类比方法，选择与拟研究结构面地质环境最为相似的样品的试验资料，确定所研究结构面的力学参数。此法是用已有大量工程建设经验，指导拟建工程的评价或设计参数取值的一种方法，是工程地质研究的传统方法之一。

③加权位移反演法：是在待反演结构面附近取(假定)一基点，在构造目标函数时使用相对于该基点的相对位移值，并引入加权系数。为达到使待反演结构面与岩体其它部分相分离的目的，加权系数的取值原则是在离待反演结构面近的测点处取大值，在离待反演结构面远处取小值。此法反演岩体可能的控稳结构面的力学参数是可行的，其成功的关键是引入了权系数矩阵［λ］，突出待求解问题的主要因素，弱化次要因素，它使参数反演具有针对性，使复杂的岩土工程问题的参数反演求解成为可能。不过，要减少反分析的工作量，保证对控稳结构面的针对性研究，应充分利用工程地质的定性分析手段先找出可能的控稳结构面(即优势结构面)

［17］

。

［3］

④经验估算法：由JRC JCS模型来表达：τ=σntan

［JRCnlg(JCSn/σn)+σr］，式中：JRCn和JCSn分别代表取样长度为Ln的岩体结构面粗糙度系数和壁岩强度；σn为法向应力；τ为结构面抗剪强度；r为结构面残余摩擦角。对某一具体结构面而言，σn、JCSn、r是容易确定的(基本上是常数)，而JRC是最难确定的参数。因此，经验估算法结果的可靠性主要取决于岩体结构面粗糙度系数(JRC)取值的可靠性。

4 岩体质量问题

杜时贵等(1997)

［3］

分析了两种著名的工程岩体分类方案

RMR分类和Q系统，发现在RMR分类中“结构面”因此占75%，而Q系统中几乎所有6个分类要素均与结构面相关。所以可以看出，岩体结构面是影响岩体质量的重要因素，优势结构面对岩体质量的影响就更大。所以对于岩体质量应着重考虑优势结构面上的岩体质量，即加大其权重值，因为岩体的失稳破坏是沿优势结构面发生的。

以润扬长江公路大桥桥址区为例。桥址区工程地质条件复杂，断裂发育，并且有多期岩浆岩侵入。经研究表明，控制桥址区岩体质量的优势结构面主要有三类

［18］

：(1)Ⅰ类优

势结构面(即断裂破碎带)：桥址区各勘察阶段钻孔多处揭露断裂破碎带，断裂带内岩体极破碎，并使周围岩体完整性变差，风化加剧(如南塔ZN101、ZN102、ZN103孔).尤其是断裂带交汇处，岩体质量更差(如世业洲引桥部位)。(2)Ⅱ类优势结构面(即岩浆侵入接触带)：侵入接触面附近往往岩体破碎，裂隙发育，岩体质量较差，如夹江南墩岩体位于侵入接触带附近，岩体质量较差。(3)Ⅲ类优势结构面(即统计优势结构面)：受构造影响，桥址区花岗岩体节理裂隙相对比较发育，据统计，主要发育3～4组裂隙，但它们在各处岩体内发育不等，统计优势结构面对岩体质量的影响表现在三方面：①当裂隙间距较大，发育组数较少时，岩体质量较好；②在弱风化及微风化岩体中，均出现多组裂隙密集相交带，

裂隙间距极小，岩体被切割成碎石状，岩体质量差；③对于结构面中等发育的岩体，不同方位、不同性质的结构面对岩体质量的影响是不同的，其中优势结构面对岩体质量的影响最大。由于三类优势结构面的存在，所以评价从桥址区岩体质量时，主要考虑了优势结构面上岩体的质量，即加大了优势结构面区域在整个桥址区岩体质量评价中的权重值，这样才更符合实际情况。 5 岩体地基沉降变形问题

一般计算地基沉降变形时，把地基岩体当作各向同性介质，未考虑结构面的影响。其实，当岩体中的节理裂隙发育程度及方位满足某种条件时，则地基的滑移变形将受其中的优势结构面控制。针对润扬大桥

节理化岩体，运用优势结构面理论，分析确定了影响图3 追踪两组优势面的联合和控制岩体地基沉降变形的优势结构面组合，提出了“优势结构面模型”与“遍有节理单元模型值分析确定岩体地基沉降变形的联合算法

［18］

［19］

算法模型示意

”数

。遍有节

理单元模型是考虑遍布岩体中的节理对岩体的受力和变形的影响的数值分析方法，计算时输入了众多组结构面的参数，而考虑优势面时只输入两组左右优势面的参数，次要的结构面则忽略之，联合算法模型示意见图3.

对于存在于大量贯通性结构面的中桥位花岗岩体，该算法更符合实际情况。分析表

明(表1)：在相同应力条件下，考虑优势结构面影响时，计算的地基变形大于不考虑优势结构面影响时计算的地基变形，说明优势结构面对地基的变形有明显的影响，因而也将影响地基的承载力；在一定的荷载作用下，随着基础旁上覆压力(即σ，见图3)的增大，基础下地基的变形减小，这说明优势结构面具有围压效应；运用优势结构面“遍有节理模型”可综合分析节理岩体地基稳定性，并计算出节理岩体的地基承载力

［18］

。

表1 考虑优势面(即联合模型)和不考虑优势面(即弹性模型)影响时地

基变形的比较

压力σ/MPa

考虑优势不考虑优面时 0.2 0.4 0.6

荷载P/MPa

荷载底版节点位移平均

值／mm

考虑优势面不考虑优考虑优势面不考虑优

势面时 时 势面时 时 势面时

0.1 0.2 0.4

2.42 2.42 2.42

2.42 3.03 3.91

59.92 57.74 46.94

23.42 32.62 46.30

1.0 0.6 2.42 4.62 40.67

55.31

注：σ指围压，一般为上覆岩土层自重

6 岩土工程加固问题

优势结构面理论认为，岩土工程加固(或改造不良地质体)，主要是要抓住优势结构面这一关键因素(图4)，因别的因素是通过优势结构面而起作用的。对图4中的(a)图，是理想的加固方式；(b)图的缺点是没有抓住优势结构面这一关键因素，因而达不到加固的效果；(c)图虽抓住了优势结构面这一关键因素，却也有不必要的加固部分，造成浪费。当然，除了加固优势面这一关键因素外，还应采取一些辅助措施消除那些会激活优势面的外界因素，如阻排水、减载、护坡等。

7 土体中的宏观优势结构面分析

土是指还没固结硬化成岩石的疏松沉积物，是由固体、液体、气体三相组成的体系，具有塑性、膨胀、崩解等水理性质。土体的结构是由岩性和构造因素所控制。当土体的规模较小和性质较均一时，土体的变形破坏机理主要受土的微观结构所控制。但土体均一的情况是比较少的，绝大多数情况下是不均

图4 工程加固示意

一的复杂土体，它的变形破坏受宏观结构面所控制。如润扬大桥桥址区被厚40～60m的第四系土所覆盖，此种土是典型的复合土体，主要由亚粘土、淤泥质亚粘土、粉细砂、中细砂含砂砾亚粘土和花岗岩强风化土等组成。

谷德振教授早就指出，对于土体的变形破坏，除研究土体的微观结构外，更应特别注重土体中的宏观结构面的研究。而土体的宏观结构面在工程地质学或土力学和土体工程地质学勘察中往往注意不够，然而在不少情况下是极其重要的

［2］

。

通过对润扬大桥桥址区及南京市附近土坡土体的研究，发现土体中的优势面一般是基岩面、断裂面、风化面、软弱层及它们的组合面

［25］

。

(1)土与下伏基岩接触面(不整合面).此类土体破坏在南京十分广泛，各地质时代沉积的碎屑岩，特别是粘土岩类的不整合面最易形成此种控制面(表2)

［21］

。铁路沿线广为分

［20］

布的堆积层滑坡的滑动面亦多受此类优势结构面控制

表2 南京地区土体滑动破坏情况

。

滑动地点 滑体性质 滑动面下伏基岩滑体厚度/m

滑移时间

的岩性

上二叠纪的龙潭

龙潭水泥厂 坡积粘性土 卡子门405

号 幕府山停车

场

冲积下蜀土

煤系 白垩纪红色砂、

页岩 志留纪高家边页

岩

2～3

1981.6

3～4

1964.7

冲积下蜀土 3～6 1972.7

坡积、冲积粘侏罗纪砂、粘土

栖霞山南坡

土 页岩

2～3 1984.7

(2)风化面。据铁路路基施工与试坑的观测，安康膨胀土风化裂隙分布的深度大多是地面以下2～3m，与这种膨胀土含量的变化相一致。据该地区21处滑坡统计资料，滑动几乎全部受风化面的控制

［26］

。

(3)软弱层。多层结构的土体，不同土层之间含有软弱夹层或充填细粒粘土物质的裂隙充填条带，往往是控制土体破坏的结构面。如丹江口水库总干渠，1970年4月雨季陆续出现了几处滑坡，其中较大者是沿着全新统粘性土与更新统粘土间的软弱夹层发生的。据长江水利电力科学研究院的研究成果表明，软弱夹层的厚度仅为数毫米至数厘米，为灰白色软粘土，夹层粘粒含量高达60%，主要成分为蒙脱石，强

度极低，=10°，c=2kPa.渠道开挖后造成软弱面临空，在其它因素配合下造成滑动

［21］

。江淮地区的白龙井滑坡、安徽

的骊马山滑坡及双沟、徐家岗滑坡等也是沿软弱层产生滑动的

［2］

。又如太焦线、焦枝线南段的粘土，干湿效应明显，土

体表面裂隙发育，增强了地表水下渗能力，同时沿裂隙可充填次生物质(灰白色粘土)，降低土体强度，对土体稳定性不利

［2］

。

(4)组合面。一般的组合面包括软弱层、断层面、裂隙面、基岩面等；对于江河土石堤坝，当江河中水位较高时，组合面包括浸润作用产生的两段圆弧滑面和软弱层的直线滑面，如具备管涌条件时，则主要沿软弱层失稳。所以江河涨水时，堤坝下土基中有软弱层时堤坝易垮(图5).如长江中游，特别是荆江段堤基为第四系二元结构，上部为粘性土，下部为砂性土，上部粘性土薄，为软弱层，这样的地段发洪水时易溃堤

［22］

。对于目前长江沿岸增建标准堤坝，应先找

出坝基不稳定段，对其优先加固，分批处理。

图5 堤坝中的组合优势面

图6 土坡中优势面一般类型

图6为润扬大桥桥址区南部丘陵区某滑坡的示意图，它是土体中另一种类型的由组合面形成的优势面的情况，由于土与基岩接触面、后缘大裂隙等优势结构面的存在，外界因素激活优势结构面而使土坡沿优势结构面变形失稳。 参 考 文 献：

［1］罗国煜，王培清，吴浩，等。敷溪口松动变形边坡稳定性和破坏机制浅析［J］。湖南水利，1981，(1)：12-16. ［2］谷德振。谷德振文集［M］。北京：地质出版社，1994. ［3］杜时贵。岩体结构面的工程性质［M］。北京：地震出版社，1999.

［4］孙广忠。十年来我国工程地质科学成就与展望［J］。水文地质与工程地质，1993，20(1)：9-12.

［5］张苏民。工程地质测试技术与方法［J］。水文地质与工程地质，1993，20(1)：38-41.

［6］黄润秋，张倬元，王士天。高边坡稳定性研究现状及发展展望［J］。水文地质工程地质，1991，18(1)：31-34 ［7］罗国煜，王培清，蔡钟业等。论边坡两类优势面的概念及其研究方法［J］。岩土工程学报，1982，4(2)：40-45

［8］罗国煜，吴恒。岩坡稳定系统工程分析的初步探讨［J］。地质论评，1986，32(2)：165-173.

［9］罗国煜，吴浩。工程勘察中的新构造 优势面原理［M］。北京：地质出版社，1991.

［10］罗国煜，刘松玉，杨卫东。区域稳定性优势面分析理论与方法［J］。岩土工程学报，1992，14(6)：10-18. ［11］罗国煜，阎长虹，陈兆乾，等。岩坡优势面分析及其专家系统研究［J］。科学通报，1993，38(21)：1979-1982. ［12］罗国煜，徐迎伍，李红兵，等。黄河悬河稳定性评价专家系统的研制［J］。岩土工程学报，1997，19(2)：32-38. ［13］罗国煜，陈新民，李晓昭，等。城市环境岩土工程［M］。南京：南京大学出版社2000.

［14］刘松玉，罗国煜。城市区域稳定性研究模型与综合评价［M］。南京：东南大学出版社，1992.

［15］汪明武。区域稳定性智能评价与控制的模型及方法研究［D］。南京：南京大学地球科学系，2000.

［16］龚晓南。21世纪岩土工程发展展望［J］。岩土工程学报，2000，22(2)：238-242.

［17］杜景灿，际兆溱。加权位移法确定结构面力学参数［J］。岩土工程学报，1999，21(2)：209-212.

［18］章杨松。岩体质量分级风险分析方法及岩体力学参数研究［D］。南京：南京大学地球科学系，2000.

［19］Richard E Goodman.A model for the mechanics of joined rock［J］。Journal of Soil Mech.and Found.Div.,ASCE.1968,94(4):35-41.

［20］蒋建平，罗国煜。土坡中的优势结构面分析［J］。工程地质学报，2000，8(4)：438-441.

［21］罗国煜，李生林。工程地质学基础［M］。南京：南京大学出版社，1992.

［22］龚士良，愈俊美。长江中下游环境地质问题及对防洪工程的影响［J］。中国地质灾害与防治学报，1999，10(3)：19-27.