趙 海 軍

(山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 聊城 252000)

隨著巖石力學(xué)理論的不斷發(fā)展，基于彈塑性分析和流變分析的收斂約束方法在地下工程施工設(shè)計(jì)中獲得廣泛認(rèn)可。收斂約束法的基本理論基礎(chǔ)是圓形洞室的彈塑性分析方法，而合理的圍巖LDP曲線則是采用收斂約束方法設(shè)計(jì)地下洞室的重要基礎(chǔ)。國內(nèi)外很多學(xué)者均對(duì)LDP曲線展開過研究，Vlachopoulos等[1]采用二維有限元法，將塑性半徑作為影響掌子面空間效應(yīng)的因素之一，得出了LDP擬合公式；張傳慶等[2]以Hoek經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)，基于現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)測(cè)收斂位移，研究了隧道開挖過程中前期損失位移和LDP曲線的求取方法。BASARIR等[3]研究了RMR分類(巖體地質(zhì)力學(xué)分類)對(duì)理想彈塑性圍巖開挖面空間效應(yīng)的影響；ABDEL-MEGUID等[4]考慮了巖體強(qiáng)度等對(duì)開挖引起的隧道位移及穩(wěn)定性的影響。

本文在基于彈塑性分析的前提下，通過分析不同巖體強(qiáng)度下的LDP曲線特點(diǎn)以及圍巖應(yīng)力狀態(tài)特征及規(guī)律，為地下洞室支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 已有數(shù)值模擬解

Vlachopoulos等人研究發(fā)現(xiàn)圍巖塑性區(qū)對(duì)于圍巖縱剖面曲線具有較大影響，并提出不同塑性區(qū)RP與洞徑RT比值(R*=RP/RT)時(shí)LDP曲線[1]：

對(duì)于X*≤0情況:

(1)

對(duì)于X*>0情況:

(2)

其中:

2 數(shù)值建模

利用FLAC3D的自帶建模命令建立隧道三維計(jì)算模型，考慮到模型的對(duì)稱性，建立四分之一模型，如圖1所示。

該模型沿隧洞軸線方向(y向)長50 m、寬(x向)50 m、高(z向)50 m，隧洞直徑D為10 m，沿隧洞軸線方向網(wǎng)格長度為1 m(0.1D)。巖體屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coloumb準(zhǔn)則，巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

隧洞處于靜水應(yīng)力場(chǎng)中，應(yīng)力量值為24 MPa，在數(shù)值計(jì)算中，x,y向施加相應(yīng)x,y向位移邊界限制，模型底面施加z向位移限制，頂部由于整個(gè)模型的平衡以及靜水應(yīng)力場(chǎng)要求。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 內(nèi)摩擦角影響

保持表1中各巖體參數(shù)賦值不變，只改變巖體內(nèi)摩擦角大小，內(nèi)摩擦角取值如圖2所示，得到不同內(nèi)摩擦角下圍巖LDP曲線，見圖2。

由圖2可知，巖體強(qiáng)度屬性中的內(nèi)摩擦角對(duì)于圍巖LDP曲線的影響較大，主要是內(nèi)摩擦角直接影響巖體開挖后圍巖屈服范圍，進(jìn)而在決定圍巖最終位移時(shí)對(duì)LDP曲線形態(tài)產(chǎn)生較為明顯的影響。

3.2 粘聚力影響

保持表1中巖體參數(shù)彈性模量、泊松比及剪脹角賦值不變，巖體內(nèi)摩擦角設(shè)為26°，改變巖體粘聚力大小，粘聚力取值如圖3所示，得到不同粘聚力下的圍巖LDP曲線，見圖3。

由圖3可知，巖體強(qiáng)度屬性中巖體粘聚力對(duì)于圍巖LDP曲線的影響同樣較為明顯，主要是粘聚力和內(nèi)摩擦角一樣將直接影響巖體開挖后圍巖屈服范圍，進(jìn)而在決定圍巖最終位移時(shí)對(duì)LDP曲線形態(tài)產(chǎn)生和內(nèi)摩擦角一樣顯著的影響。

4 結(jié)語

本文在已有圍巖縱剖面曲線數(shù)值模擬解的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值仿真軟件，分析巖體強(qiáng)度對(duì)LDP曲線形態(tài)影響。保持巖體其他物理力學(xué)參數(shù)不變，改變巖體內(nèi)摩擦角和粘聚力大小，可以看出隨巖體內(nèi)摩擦角和粘聚力大小逐漸降低，圍巖LDP曲線的最終位移值在逐漸增加，主要原因是巖體內(nèi)摩擦角和粘聚力直接對(duì)巖體的最終屈服范圍產(chǎn)生明顯影響，故而會(huì)對(duì)圍巖LDP曲線有著顯著影響，由此可見，基于彈性假設(shè)所推導(dǎo)的LDP曲線具有一定的缺陷，巖體強(qiáng)度是影響圍巖LDP曲線形態(tài)特征的重要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] Vlachopoulos N,Diederichs M S.Improved Longitudinal Displacement Profiles for Convergence Confinement Analysis of Deep Tunnels[J].Rock Mechanics & Rock Engineering,2009,42(2):131-146.

[2] 張傳慶,馮夏庭,周 輝,等.隧洞圍巖收斂損失位移的求取方法及應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2009,30(4):997-1003.

[3] BASARIR H,GENIS M,OZARSLAN A.The analysis of radial displacements occurring near the face of a circular opening in weak rock masses[J].International Journalof Rock Mechanics and Mining Sciences,2010(47):771-783.

[4] ABDEL-MEGUID M,ROWE R K,Lo K Y.Threedimensional analysis of unlined tunnels in rock subjected to high horizontal stress[J].Canadian Geotechnical Journal,2003(40):1208-1224.