許宇明

(湖南省高速公路管理局，湖南 長沙　410001)

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應(yīng)變軟化對深部隧道圍巖多層斷裂的影響研究

許宇明

(湖南省高速公路管理局，湖南 長沙410001)

基于隧道圍巖響應(yīng)機(jī)理建立數(shù)值模型，以圍巖峰后特征之一的塑性應(yīng)變軟化為目標(biāo)，通過數(shù)值模擬揭示出在一定條件下，圍巖中多層斷裂現(xiàn)象的產(chǎn)生與其塑性應(yīng)變閾值相對應(yīng)。當(dāng)圍巖的塑性應(yīng)變軟化值低于其閾值時，圍巖中應(yīng)力的傳遞及應(yīng)變響應(yīng)與淺部經(jīng)典圍巖破裂規(guī)律迥異。然后進(jìn)一步分析了應(yīng)變軟化值的大小對圍巖中斷裂層數(shù)、斷裂總范圍的影響，評估了多層斷裂發(fā)生時圍巖中切次生向應(yīng)力與徑向應(yīng)力的相對關(guān)系，為深部巖體地下工程的開挖及支護(hù)設(shè)計提供了參考依據(jù)。

；隧道；圍巖；深部；應(yīng)變軟化；多層斷裂

0　引言

按圍巖損傷程度及二次應(yīng)力的大小，一般情況下開挖后隧道圍巖依臨空面由近至遠(yuǎn)依次出現(xiàn)松動帶、塑性強(qiáng)化帶、彈性帶及原始狀態(tài)區(qū)(如圖1所示)。松動帶中應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，巖體裂隙發(fā)育，巖體質(zhì)量劣化，是圍巖荷載形成及支護(hù)對象的主體。目前巖體地下結(jié)構(gòu)的支護(hù)設(shè)計思路都是該模式建立起來的。如支護(hù)錨桿所需長度、錨固持力層層位及最小圍巖壓力估算，等等。但隨著工程往地層深處發(fā)展，在地下工程實踐中專家們發(fā)現(xiàn)進(jìn)入到地下一定深度后，圍巖對開挖的響應(yīng)不再遵從圖1所示的模式，在有些深部地下工程圍巖的斷裂存在分層現(xiàn)象(如圖2所示)。很顯然，這種現(xiàn)象與經(jīng)典的圍巖響應(yīng)模式(如圖1)不同。隨著深部地下工程實踐的增多，圖2所示的破裂現(xiàn)象也逐漸增多，同時也引起了很多著名專家和學(xué)者的關(guān)注并做進(jìn)一步的研究。例如，文獻(xiàn)[1]搜集了國內(nèi)外關(guān)于分層斷裂現(xiàn)象工程及研究的有關(guān)資料，總結(jié)得出圍巖的分層斷裂現(xiàn)象是深部地層與淺部地層對開挖反應(yīng)的標(biāo)志區(qū)別。文獻(xiàn)[1～3]把分層斷裂作為巖石工程是否進(jìn)入深部的標(biāo)準(zhǔn)，并認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的重要原因之一是高的地應(yīng)力轉(zhuǎn)移所造成的劈裂效應(yīng)。文獻(xiàn)[4]以淮南礦區(qū)丁集煤礦深部巷道為工程背景，通過相似材料三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗，再現(xiàn)了深部巷道圍巖分區(qū)破裂的形成過程。文獻(xiàn)[5]報道了利用鉆孔電視和電阻率方法在煤礦的深部隧道圍巖中監(jiān)測到分層斷裂現(xiàn)象。文獻(xiàn)[6]通過有關(guān)鉆進(jìn)數(shù)據(jù)資料的分析，得出在金屬礦山的深部隧道圍巖中，也存在分層斷裂。文獻(xiàn)[7]從理論上探討了分層斷裂的力學(xué)原理，認(rèn)為分層斷裂主要是由于巖體是一種承受了多次地質(zhì)歷史運(yùn)動的巖體，在力學(xué)上處于峰后階段，是巖體的峰后特征導(dǎo)致了分層斷裂行為的產(chǎn)生。因此，分層斷裂的原因是巖體的峰后力學(xué)行為。峰后力學(xué)包括巖體力學(xué)性質(zhì)軟化、殘余強(qiáng)度、剪漲性等等。因此，本文試圖利用FLAC軟件，通過數(shù)值方法進(jìn)一步揭示巖體應(yīng)變軟化對深部隧道圍巖分層斷裂的影響，為深部隧道圍巖壓力估算、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論和實踐參考依據(jù)。

圖1　隧道圍巖響應(yīng)典型模式

圖2　深部地層隧道圍巖分層斷裂現(xiàn)象[1，2]

1　數(shù)值分析模型

1.1應(yīng)變軟化描述參數(shù)

應(yīng)變軟化顯示巖體峰后力學(xué)性能的劣化，反映巖體在原有裂隙的基礎(chǔ)上，各種新裂隙的擴(kuò)展和貫通，是FLAC[8，9]數(shù)值模擬程序中表述巖體峰后性質(zhì)的重要參數(shù)。該參數(shù)通過如下表達(dá)式確定：

(1)

內(nèi)置的塑性參數(shù)eps增量表達(dá)式為：

(2)

1.2圍巖力學(xué)參數(shù)及計算范圍

圍巖類型參照湘西山區(qū)武陵源某越嶺深埋二級公路隧道選取。坑道圍巖力學(xué)參數(shù)為：峰值粘聚力cp=0.54 MPa，殘余粘聚力cr=0.37 MPa，峰值摩擦角φp=33°，殘余摩擦角φr=25°，巖石剪切模量G=1.3×103MPa；泊松比v=0.22，天然地應(yīng)力σ0=5.6 MPa。

為了與圖1所示的經(jīng)典響應(yīng)破裂模式對照，在本研究中選用直徑為4 m的規(guī)則圓形坑道，按照圍巖響應(yīng)范圍，數(shù)值模型大小為隧道直徑的3.5倍；根據(jù)軸對稱原理，取其1/4，如圖3所示。由深部地層地應(yīng)力理論，天然應(yīng)力設(shè)為三向等應(yīng)力場，弧形外邊界施加天然應(yīng)力，垂直和水平邊界法向位移約束。在位于垂直方向(90°)，水平方向(0°)設(shè)置了監(jiān)測點，便于觀察其兩個方向上的應(yīng)力傳遞及應(yīng)變分布情況。

圖3　數(shù)值計算模型

2　數(shù)值模擬過程及結(jié)果簡析

圖4　不同峰后脆性示意圖

較早時期，有關(guān)學(xué)者[10]在相似模型試驗及隧道監(jiān)控中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，如圖7、圖8是我國著名的深部工程巖石力學(xué)專家方祖烈教授于上世紀(jì)80年代末至九十年代初在我國西北的金昌鎳礦深部地下工程研究中的有關(guān)實測及試驗資料整理結(jié)果，也表明了這一現(xiàn)象的存在。

圖=0.15，水平方向圍巖徑向、環(huán)向應(yīng)力分布

圖=0.15，垂直方向圍巖徑向、環(huán)向應(yīng)力分布

圖7　深部巷道圍巖變形相似模型實驗[10]

圖8　深部巷道圍巖拉壓變形隨時間變化[10]

圖，圍巖斷裂分布情況

圖=0.025，水平方向圍巖徑向、環(huán)向應(yīng)力分布

圖=0.025，垂直方向圍巖徑向、環(huán)向應(yīng)力分布

從圖11～圖14發(fā)現(xiàn)，圍巖徑向應(yīng)力，切向應(yīng)力分布曲線表現(xiàn)為：低應(yīng)力→高應(yīng)力→低應(yīng)力→高應(yīng)力反復(fù)交替出現(xiàn)，即在圍巖中存在應(yīng)力急劇變化區(qū)域，與經(jīng)典模式的應(yīng)力單調(diào)增長規(guī)律迥異。

圖，水平方向圍巖徑向、環(huán)向應(yīng)力分布

圖，垂直方向圍巖徑向、環(huán)向應(yīng)力分布

表1 斷裂層單元應(yīng)力統(tǒng)計表監(jiān)測線h/mσθ/MPaσr/MPaσθ/σr0°1.34.310.954.541.956.181.773.492.557.342.313.173.258.823.332.644.3513.454.253.1690°1.34.441.323.361.95.861.653.552.456.832.243.053.0510.383.433.024.2512.283.663.365.613.584.353.12

3　結(jié)論

本文以圍巖臨界塑性剪切應(yīng)變值表征圍巖峰后軟化強(qiáng)弱情況，采用FLAC數(shù)值軟件，重點研究了應(yīng)變軟化對深部隧道圍巖多層斷裂的影響，主要結(jié)論如下：

1) 隧道圍巖峰后軟化強(qiáng)弱情況對圍巖分層斷裂現(xiàn)象具有重要影響，應(yīng)變軟化現(xiàn)象越強(qiáng)，多層斷裂越易出現(xiàn)，對應(yīng)于圍巖臨界塑性剪切應(yīng)變值閾值約為0.15。

2) 深部隧道圍巖中應(yīng)力傳遞、應(yīng)變分布的劇烈變化現(xiàn)象與巖石的峰后軟化程度有關(guān)，圍巖多層斷裂的斷裂層數(shù)、斷裂總范圍將隨著圍巖峰后應(yīng)變軟化現(xiàn)象增強(qiáng)而增加。

3) 隨著圍巖應(yīng)變軟化現(xiàn)象的增強(qiáng)，當(dāng)徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力相對關(guān)系在3～4的范圍內(nèi)，圍巖的多層環(huán)狀斷裂將貫通，因此可將該值作為圍巖的多層破裂的判斷依據(jù)之一。

本文僅研究了圍巖軟化這一峰后特征的影響，結(jié)果僅僅是初步的，深部及巖體的其他特征，如溫度、巖體剪漲、膨脹系數(shù)等等將是有待進(jìn)一步需要研究的問題。

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2016-06-07

許宇明(1982-)，男，工程師，主要從事高速公路管理工作。

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