孫 濤， 楊渝南， 高素芳， 劉 杰,2， 謝曉康， 韓紹康

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室， 湖北 宜昌443002)

1 研究背景

片巖在深部高地應(yīng)力區(qū)域大量存在，可近似為層厚極小的層狀巖體，其變形和強(qiáng)度具有明顯的各向異性特性，這一特點又會對工程巖體穩(wěn)定性產(chǎn)生特殊影響[1]。在室內(nèi)試驗方面，劉志勇等[2]利用MTS815巖石試驗系統(tǒng)研究石英云母片巖在加、卸荷應(yīng)力路徑下的力學(xué)特性；周新等[3]探討片巖加速蠕變階段的軸向應(yīng)變-應(yīng)變率-偏應(yīng)力關(guān)系特征；楊以榮等[4]系統(tǒng)研究高圍壓卸荷條件下石英云母片巖變形破壞特征及能量演化規(guī)律；何忠明等[5]通過室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬分析層狀巖體單軸壓縮情況下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)以及強(qiáng)度特征；于德海等[6]對干燥和飽水狀態(tài)下的綠泥石片巖進(jìn)行三軸壓縮試驗，獲取水對試樣強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律；劉廷等[7]通過室內(nèi)三軸試驗，研究不同含水率狀態(tài)下云母片巖的強(qiáng)度和變形特性；王章瓊等[8]研究片巖在片理面傾角分別為0°、45°、90°時的變形參數(shù)各向異性特征及破壞機(jī)制；鄭松林等[9]通過片巖在單軸應(yīng)力作用下的巖石力學(xué)特性試驗研究,得出巖石試塊的強(qiáng)度特征、變形特征與作用應(yīng)力的大小、作用應(yīng)力與結(jié)構(gòu)面之間夾角有密切聯(lián)系的一般規(guī)律；張曉平等[10]研究了與片巖裂紋擴(kuò)展相關(guān)的應(yīng)力門檻值。

針對強(qiáng)度理論和本構(gòu)關(guān)系方面，肖明礫等[11]基于帶Kachanov 蠕變損傷因子的蠕變模型，研究丹巴水電站石英云母片巖的三軸蠕變特性及其各向異性特性；張春生等[12]以顆粒流方法為基礎(chǔ),開展不同尺寸、不同結(jié)構(gòu)組成的各向異性特征研究,揭示變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[13-17]針對層狀巖體彈性參數(shù)的各向異性進(jìn)行了試驗與理論分析，并構(gòu)建了相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則，張學(xué)民等[18]研究了巖石材料的變形和強(qiáng)度各向異性性狀、各向異性破壞準(zhǔn)則和彈塑性本構(gòu)關(guān)系及各向異性特征對層狀圍巖隧道變形和穩(wěn)定性的影響；張嘉威[19]根據(jù)單軸壓縮試驗及統(tǒng)計損傷理論,建立了針對單軸壓縮狀態(tài)下的巖石損傷本構(gòu)模型。

在工程應(yīng)用方面，已有許多結(jié)合大型工程的片巖研究成果，如Nasseri等[20]研究了片巖力學(xué)參數(shù)和變形破壞特征的各向異性特征；劉杰等[21]、許振華[22]及單治剛等[23]運(yùn)用大型巖土分析軟件ADINA和單軸試驗闡明了丹巴石英云母片巖各向異性特征，且?guī)r體的變形和破壞規(guī)律主要取決于地應(yīng)力及巖體的結(jié)構(gòu)特征；在基于隧道等含片巖巖體的大型工程方面，Hwang等[24]研究了各向異性的片理角度對隧道穩(wěn)定性的影響；Shrestha等[25]指出當(dāng)隧洞通過高度片狀化的巖層時，在塑性變形和剪切區(qū)域存在嚴(yán)重的隧道變形。

在上述各方面取得豐碩成果的同時，有以下幾方面需進(jìn)一步深入研究：

(1)不同片理角度下巖體力學(xué)參數(shù)取值無試驗依據(jù)。很多學(xué)者在進(jìn)行巖體參數(shù)的取值時往往按經(jīng)驗進(jìn)行參數(shù)折減或僅按數(shù)值反演來確定，人為主觀性太強(qiáng)，參數(shù)取值無試驗數(shù)據(jù)支持。

(2)現(xiàn)有研究未系統(tǒng)考慮巖樣在不同高度和不同片理角度下的巖樣抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的規(guī)律。

(3)現(xiàn)有研究多數(shù)采用的計算模擬范圍較大，在各邊界施加的應(yīng)力邊界效應(yīng)顯著，應(yīng)力影響范圍較小，無法影響到內(nèi)部局部精細(xì)區(qū)域，無法對局部區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的片理模擬和精細(xì)應(yīng)力構(gòu)造。

(4)現(xiàn)有研究未深入考慮圍巖片理與隧洞洞軸不同夾角下隧洞圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律并給出最不利工況。

隨著我國西部大開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，西部區(qū)域的引水隧洞工程和交通隧洞工程正不斷涌現(xiàn)，針對地下工程中圍巖開挖后巖體各向異性顯著的研究越來越成為熱點。本文基于丹巴引水隧洞工程，通過對該工程中石英云母片巖的各項物理和力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗研究，并建立隧洞模型，從位移、塑性區(qū)、塑性應(yīng)變值3個方面對隧洞開挖后圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評價，對于隧洞開挖加固設(shè)計有著重要的理論意義和工程參考價值。

2 工程概況

丹巴水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流上，引水隧洞位于大渡河左岸山體中，全長約16 710 m，垂直埋深基本為500～900 m，最大埋深可達(dá)約1 220 m，大部分洞室位于石英云母片巖軟巖區(qū)域，巖石堅硬程度初步分類屬較軟巖，巖體質(zhì)量以Ⅳ類為主，成洞條件差，開挖后有可能出現(xiàn)較嚴(yán)重的大變形破壞現(xiàn)象，遇水也易發(fā)生軟化現(xiàn)象，如圖1所示。因此，丹巴水電站引水隧洞軟巖成洞問題突出，為樞紐開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

圖1 隧洞工程圍巖破壞圖

3 片理在不同空間角度下的參數(shù)測定

為獲得石英云母片巖在高地應(yīng)力下三軸加卸載力學(xué)特性和變形破壞規(guī)律，本文開展了室內(nèi)三軸壓縮試驗測定不同圍壓作用下巖樣的力學(xué)參數(shù)。

3.1 室內(nèi)三軸試驗

3.1.1 三軸試驗方案 試驗以RMT-150C巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)為平臺，三軸試驗采用3組不同片理傾角，4種圍壓循環(huán)加卸載。由于引水隧洞段實測最大主應(yīng)力為36 MPa，故將圍壓分為0～10、0～15、0～20、 0～30、0～35、0～40 MPa共6級，軸向和圍壓同時加載，速率均為0.2 kN/s，每次循環(huán)2～4次，軸向應(yīng)力線性增加直至巖樣破壞，不同傾角巖樣三軸加卸載試驗加載模式如圖2所示，部分巖樣三軸試驗破壞形態(tài)圖如下圖3所示。

圖2 不同片理傾角的三軸加卸荷試驗

圖3 部分巖樣三軸試驗破壞形態(tài)

3.1.2c、φ值各向異性的試驗分析 根據(jù)3組36個巖樣的三軸試驗成果，對石英云母片巖表現(xiàn)的特征繪制成圖，如圖4～5所示。

圖4 干燥巖樣彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角與圍壓關(guān)系圖

圖5 飽和巖樣彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角與圍壓關(guān)系圖

由圖4～5可知，隨著圍壓的增加，石英云母片巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力均與圍壓呈線性增大規(guī)律，但不同片理傾角巖樣的各力學(xué)參數(shù)對圍壓的敏感性有所差異。

(1)在干燥條件下，圍壓對巖樣力學(xué)參數(shù)影響分析：由圖4分析可知，①當(dāng)軸向力與片理面平行時，隨著圍壓的增加巖樣參數(shù)彈性模量和內(nèi)摩擦角線性增大速率最快，斜率分別為0.2245 和0.2873；②當(dāng)軸向力與片理面斜交時巖樣黏聚力增大速率最快，斜率為0.0711；③根據(jù)斜率對比得出巖樣力學(xué)參數(shù)對圍壓敏感性排序為內(nèi)摩擦角>彈性模量>黏聚力。

(2)在飽和條件下，圍壓對巖樣力學(xué)參數(shù)影響分析：由圖5分析可知，①當(dāng)軸向力與片理面平行時，隨著圍壓的增加巖樣彈性模量、內(nèi)摩擦角增大速率最快，斜率分別為0.135和0.2907；②當(dāng)軸向力與片理面斜交時，巖樣黏聚力增大速率最快，斜率為0.0943；③根據(jù)斜率對比得出巖樣力學(xué)參數(shù)對圍壓敏感性排序為內(nèi)摩擦角>彈性模量>黏聚力。

(3)飽和石英云母片巖相對干燥狀態(tài)的彈性模量降低20%～40%，黏聚力降低25%～40%，內(nèi)摩擦角降低20%-30%。表明水對片巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力有顯著影響，在實際工程設(shè)計應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)考慮水對巖體質(zhì)量的劣化影響。

3.1.3 各向異性與圍壓關(guān)系分析 由于片理的存在，石英云母片巖具有顯著的各向異性特征，給出表征各向異性公式(1)和(2)。

(1)

(2)

式中：σ1為最大主應(yīng)力，Pa；σ3為最小主應(yīng)力(由于為單軸壓縮，故σ3=0)，Pa；k1、k2分別為石英云母片巖的單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量各向異性參數(shù)；E∥，E⊥分別為平行、垂直節(jié)理的變形模量。k1和k2等于1時說明巖石各向同性，當(dāng)其越偏離1時，各向異性越明顯。

根據(jù)表征各向異性的公式(1)和(2)計算得出各向異性參數(shù)k1和k2，根據(jù)計算結(jié)果得出各向異性程度與圍壓關(guān)系圖，如圖6所示，在不同圍壓下對不同片理傾角的石英云母片巖的各向異性進(jìn)行評價。

由圖6可知，在低圍壓下k1>1且k2<1,各向異性顯著，隨著圍壓的增加，k2→1，而后逐漸減??；k1逐步降低，各向異性減小，而后逐步升高，各向異性增加。巖體強(qiáng)度受片理結(jié)構(gòu)影響較大，在實際工程設(shè)計應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)充分考慮巖樣的各向異性特性。

3.2 抗拉強(qiáng)度各向異性劈裂試驗分析

3.2.1 試驗方案 該試驗基于筆者自主研發(fā)的單個巖樣多次劈裂測巖石抗拉強(qiáng)度的試驗方法來測定不同片理產(chǎn)狀的石英云母片巖抗拉強(qiáng)度。試驗分為5組，每組4個巖樣(巖樣高度分別為2.5、3.5、4.5和5.5 cm)，具體試驗方案如表1所示，通過對破壞后巖樣進(jìn)行重粘接，旋轉(zhuǎn)巖樣調(diào)整加載力與片理交角實現(xiàn)通過單個巖樣測不同片理角度下巖石抗拉強(qiáng)度，兩次劈裂后巖樣如圖7～8所示：

表1 劈裂試驗方案表

3.2.2 不同高度巖樣抗拉強(qiáng)度隨片理角度的變化分析 由圖9可知，石英云母片巖的抗拉強(qiáng)度受控于其片理特征，相同高度下巖樣的抗拉強(qiáng)度隨片理角度線性增大；相同片理夾角下，巖樣抗拉強(qiáng)度隨巖樣高度遞增呈良好線性遞增關(guān)系。徐燕飛等[26]研究結(jié)果顯示，各種巖石的劈裂強(qiáng)度都存在尺寸效應(yīng)，不同巖石劈裂強(qiáng)度尺寸效應(yīng)主要受巖石的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)所影響；硅質(zhì)砂巖劈裂強(qiáng)度隨試樣厚度增加呈線性增大；本文研究試驗結(jié)果與該結(jié)論觀點相一致。

石英云母片巖的抗拉強(qiáng)度與其試驗巖樣高度和片理角度有關(guān)，為研究不同片理角度下巖樣抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的規(guī)律，定義巖樣抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)(此處尺寸效應(yīng)實際指巖樣的高徑比)系數(shù)為ksize=σ5.5/σ2.5，其中σ5.5是高度為5.5 cm巖樣的抗拉強(qiáng)度，σ2.5是高度為2.5 cm巖樣的抗拉強(qiáng)度，得出巖樣抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)ksize隨片理角度的變化關(guān)系圖，如圖10所示。

圖6各向異性程度與圍壓關(guān)系圖 圖7第1次劈裂后巖樣 圖8第2次劈裂后巖樣

圖9不同高度巖樣抗拉強(qiáng)度隨片理角度的變化關(guān)系 圖10抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)隨片理角度的變化關(guān)系

由圖10可知，不同片理角度下巖樣抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)系數(shù)ksize均大于2，即相同角度下5.5 cm高度巖樣測得的抗拉強(qiáng)度一般為2.5 cm高度巖樣抗拉強(qiáng)度的2倍以上，可見巖樣的抗拉強(qiáng)度具有顯著的尺寸效應(yīng)，且?guī)r樣抗拉強(qiáng)度尺寸效應(yīng)與片理角度呈線性遞減的關(guān)系。

3.3 橫觀各向同性本構(gòu)模型研究

根據(jù)前期室內(nèi)試驗成果和現(xiàn)場圍巖破壞特征的分析，石英云母片巖的變形與破壞均表現(xiàn)出顯著的橫觀各向同性特征。

根據(jù)橫觀各向同性理論可知，在局部坐標(biāo)系下，增量型彈性應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系為 ：

[Δσ′]=[K′][Δε′e]

(3)

式中：σ′為巖體彈性應(yīng)力；ε′e為巖體線應(yīng)變, [K′]為局部剛度矩陣，即:

(4)

其中：

式中：E1和μ12分別為各向同性平面的彈性模量和泊松比；E3和μ13分別為垂直與同性平面的彈性模量、泊松比。

通過對不同片理角度的巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(圖3、7、8)，得到平行片理和垂直片理方向巖樣的力學(xué)參數(shù)，如表2，將其作為片理模型的計算參數(shù)，為公式(4)提供參數(shù)支撐。

表2 巖體計算參數(shù)表

4 計算參數(shù)及模型

4.1 計算參數(shù)

采用橫觀各向同性本構(gòu)模型，在ADINA軟件中通過空間兩點坐標(biāo)來定位材料主軸，通過改變空間兩點坐標(biāo)來調(diào)節(jié)材料軸的方位，如圖11，材料主軸z方向取垂直于片理參數(shù)，x和y軸均以平行片理參數(shù)選取，在測點地應(yīng)力實測與計算值(表3)的基礎(chǔ)上得出空間任意角度的巖體片理模型的計算參數(shù)，實現(xiàn)各種片理類型及角度的模擬。

4.2 引水隧洞軟巖段地質(zhì)體大區(qū)域三維模型

沿著引水隧洞方向建立三維模型，如圖12所示，模型順引水洞方向取10 358.215 m，垂直引水洞方向取2 066.367 m，根據(jù)地形，最大相對高度3 750 m，選取實測地應(yīng)力測點位置為ZK2和ZK3，ZK2和ZK3測點剖面位置如圖13所示。

采用水壓致裂法測取測點ZK2和ZK3的地應(yīng)力實測值，通過調(diào)節(jié)所建立大區(qū)域三維模型邊界應(yīng)力的大小，反演分析得出與實測值相接近的反演計算值，如表3。

4.3 主應(yīng)力構(gòu)造精細(xì)應(yīng)力場方法的提出

4.3.1 大區(qū)域模型反演分析存在的不足 采用以上大區(qū)域模型反演分析可較好地得出引水隧洞大區(qū)域的整體地應(yīng)力場，但大區(qū)域模型反演分析存在以下不足：①隧洞開挖各工況下圍巖片理角度在不斷改變，無法對局部區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的片理模擬和精細(xì)應(yīng)力構(gòu)造；②大區(qū)域模型只是在各邊界面上施加應(yīng)力，應(yīng)力邊界效應(yīng)顯著，應(yīng)力影響范圍較小，無法影響到內(nèi)部局部精細(xì)區(qū)域。因此本文對大模型局部區(qū)域建立小模型，進(jìn)行精細(xì)計算模型應(yīng)力場構(gòu)造。

表3 測點地應(yīng)力實測與計算值 MPa

建立小模型后，若直接采用測得各正應(yīng)力、剪應(yīng)力在各邊界上施加應(yīng)力，各邊界面均有3個不同的應(yīng)力，共18個應(yīng)力，構(gòu)造的應(yīng)力場空間受力復(fù)雜，無法對局部區(qū)域進(jìn)行精細(xì)應(yīng)力場精準(zhǔn)構(gòu)造，空間單元體的受力示意圖如圖14所示。

4.3.2 精確主應(yīng)力構(gòu)造精細(xì)應(yīng)力場的方法 本文基于此提出一種新的主應(yīng)力構(gòu)造精細(xì)應(yīng)力場方法，提出的《一種精確主應(yīng)力構(gòu)造精細(xì)應(yīng)力場的裝置及方法》(201811096241.5)發(fā)明專利已公示[27]，且該方法在丹巴工程中得以成功運(yùn)用。采用實際精確的主應(yīng)力方式進(jìn)行構(gòu)造，首先根據(jù)ZK2測點實測地應(yīng)力的6個應(yīng)力分量σx、σy、σz、σxy、τyz、τzx可得出3個不變量I1，I2，I3。

I1=σx+σy+σz

(5)

I2=σxσy+σyσz+σzσx+2τxy+2τyz+2τzx

(6)

I3=σxσyσz+2τxyτyzτzx-2σxτyz-

2σyτzx-2σzτxy

(7)

由公式(5)～(7)推導(dǎo)可得出主應(yīng)力方程為：

σ3-I1σ2-I2σ1-I3=0

(8)

運(yùn)用Matlab軟件，可求出三元一次方程組(8)，得到各主應(yīng)力值大小，根據(jù)主應(yīng)力值的大小，由公式(9)～(10)聯(lián)立求解后按公式(11)計算主應(yīng)力傾角αi和方位角θi，測點ZK2各主應(yīng)力、方位角和傾角如表4。

(9)

(10)

公式(9)中l(wèi)i、mi、ni(i=1、2、3)分別為主應(yīng)力σi對于X、Y、Z軸的方向余弦。

(11)

選取局部小區(qū)域，根據(jù)ZK2測點各主應(yīng)力傾角和方位角建立隧洞模型，在模型邊界上施加與之垂直的相應(yīng)面力，其大小為3個主應(yīng)力值，即為精細(xì)計算模型應(yīng)力場構(gòu)造，如圖15所示。該方法用實際精確的3個主應(yīng)力進(jìn)行精細(xì)應(yīng)力場精準(zhǔn)構(gòu)造，大大優(yōu)化了空間多個應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力場的復(fù)雜性并提高了精準(zhǔn)度。

表4 測點ZK2各主應(yīng)力、方位角和傾角計算值

根據(jù)表4，建立尺寸為240 m×240 m×240 m的立方體隧洞模型，隧洞斷面為圓形，直徑為16 m，片理層面產(chǎn)狀取N65°、WNE∠80°，巖體強(qiáng)度參數(shù)和變形參數(shù)參照表2進(jìn)行取值，對開挖后隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

5 隧洞開挖后圍巖穩(wěn)定性評價

5.1 空間多角度片理與隧洞軸向夾角關(guān)系說明

由于施工現(xiàn)場開挖各工況下圍巖片理角度在不斷改變，使得圍巖片理與隧洞軸向夾角也在不斷改變，施工現(xiàn)場實地考察結(jié)果顯示，片理與洞軸方向水平面夾角的度數(shù)分布集中在45°～90°之間，局部地段也可能出現(xiàn)其他類型及各種角度穿切情況。由此設(shè)定了3類片理走向類型及0°、15°、45°、75°、90°片理進(jìn)行模擬計算，如圖16所示，假定洞軸方向為x方向，定義第1類45°片理面為與平面ACHF平行，第2類45°片理面為與平面ABHG平行，第3類45°片理面為與平面BCGF平行，其他角度亦按照此進(jìn)行分類，以此對空間多角度片理與隧洞軸向夾角的關(guān)系進(jìn)行說明。

5.2 空間多角度片理產(chǎn)狀下隧洞圍巖穩(wěn)定性分析

本文以洞長36 m，洞徑8 m的試驗洞為例，研究洞室圍巖的穩(wěn)定性隨片理產(chǎn)狀的變化規(guī)律，從而預(yù)測最不利片理隧洞工況和隧洞失穩(wěn)破壞可能性最大的位置。通過調(diào)整材料主軸來實現(xiàn)3類片理走向及0°、15°、45°、75°、90°片理進(jìn)行模擬計算，下面主要從應(yīng)力、位移、塑性區(qū)3個方面對開挖后隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計算云圖中位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)均為以開挖隧洞為中心點的徑向位移和徑向應(yīng)力，其方向以指向隧洞圓心為正，反之為負(fù)。

圖11空間任意角度巖體片 圖12引水隧洞軟巖段大區(qū)域 圖13ZK2和ZK3所在y向

理模型示意圖 三維模型圖x=1671m處的位置圖

圖14空間單元體的受力示意圖 圖15主應(yīng)力構(gòu)造精細(xì)應(yīng)力場構(gòu)造圖 圖16片理的假設(shè)走向

5.2.1 應(yīng)力分析 隧洞開挖后洞室圍巖處于受壓狀態(tài)，各工況下洞室周圍應(yīng)力分布基本一致，主要集中于洞室的左下方拱腳和右上方拱肩，水平方向應(yīng)力均較小，沒有明顯的變化規(guī)律。

由計算結(jié)果得出不同片理工況下應(yīng)力變化趨勢圖，如圖17所示。

由圖17分析可知，不同片理角度工況下圍巖應(yīng)力隨著片理角度總體趨勢是先遞增而后遞減。第2類和第3類不同片理產(chǎn)狀的隧洞圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律較為一致，均在片理角度為15°時，隧洞圍巖應(yīng)力值達(dá)到最大，分別為25.81和23.07 MPa，第1類片理變形規(guī)律略有差異，在片理角度為45°時，隧洞圍巖應(yīng)力值達(dá)到最大，為24.14 MPa，表明工程中3類片理走向類型在片理角度分別為15°、15°、45°時為最不利工況，圍巖應(yīng)力對隧洞穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)重點加固并監(jiān)測該工況下隧洞圍巖的變形情況。

5.2.2 位移分析 根據(jù)計算結(jié)果統(tǒng)計得出3類片理角度位移云圖對比表，如表5所示。

由表5分析可知，第1類和第2類不同片理產(chǎn)狀的隧洞圍巖的變形規(guī)律較為一致，其最大變形多發(fā)生在左側(cè)拱肩和右側(cè)拱腳，第3類片理不同片理傾角下，變形規(guī)律略有差異，45°時最大變形位于拱頂和拱底。工程中應(yīng)針對變形較大的區(qū)域重點加固監(jiān)測。

表5 3類片理角度位移云圖對比表

由計算結(jié)果得出不同片理工況下位移值隨片理角度變化圖，如圖18所示。

由圖18分析可知，3類片理走向類型均在片理角度為90°時，隧洞圍巖位移值達(dá)到最大，分別為10.88、10.88、9.72 cm；表明工程中3類片理走向類型均在片理角度為90°時為最不利工況，隧洞圍巖會出現(xiàn)較大變形或失穩(wěn)，應(yīng)著重考慮隧洞開挖的安全性。

5.2.3 塑性區(qū)分析 根據(jù)計算結(jié)果統(tǒng)計得出3類片理角度塑性區(qū)云圖對比圖，如表6所示。

對表6各工況進(jìn)行分析可知，開挖卸荷后3類各角度片理均出現(xiàn)較大塑性區(qū)，塑性區(qū)開展部位均類似，其主要集中于隧洞左側(cè)拱底和右側(cè)拱肩處。多數(shù)片理角度工況下，隧洞開挖后左側(cè)拱底塑性區(qū)開展深度較右側(cè)拱肩塑性區(qū)略大，僅在第1類45°和第3類45°工況下，右側(cè)拱肩塑性區(qū)深度大于左側(cè)拱底。

由計算結(jié)果得出不同片理工況下圍巖塑性區(qū)深度和面積變化趨勢圖，如圖19和20所示。

表6 3類片理角度塑性區(qū)云圖對比表

圖17不同片理工況下應(yīng)力變化趨勢圖 圖18不同片理工況下位移變化趨勢圖

圖19不同片理工況下圍巖塑性區(qū)深度變化趨勢圖 圖20不同片理工況下圍巖塑性區(qū)面積變化趨勢圖

由圖19～20分析可知，不同片理角度工況下的圍巖塑性區(qū)深度及面積差異很大，但總體趨勢是隨著片理角度的增加圍巖塑性區(qū)深度和面積先遞增而后遞減。

(1)圍巖塑性區(qū)深度及面積分析：①第1類片理角度隧洞開挖后，45 °時塑性區(qū)開展深度最大，為8.2 m，15°時塑性區(qū)面積最大，為139.7 m2；②第2類片理角度隧洞開挖后，45 °時塑性區(qū)開展深度最大，為8.3 m,且45°時塑性區(qū)面積也最大， 為200.1 m2；③第3類片理角度隧洞開挖后，45 °時塑性區(qū)開展深度最大，為9.0 m，75°時塑性區(qū)面積最大,為188.5 m2。

(2)從圍巖塑性區(qū)深度和面積分析可得出：①3類片理均在45°時塑性區(qū)深度最大，為最不利片理角度；②不同類片理塑性區(qū)面積無明顯規(guī)律性，第1類在15°時為最不利工況，第2類在45°時為最不利工況，第3類則在75°時為最不利工況。

6 結(jié) 論

(1)隨著圍壓的增加，石英云母片巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力均與圍壓呈線性增大的關(guān)系，但不同片理傾角巖樣的各力學(xué)參數(shù)對圍壓的敏感性有所差異。在干燥和飽和兩種條件下，巖樣力學(xué)參數(shù)對圍壓敏感性排序均為內(nèi)摩擦角>彈性模量>黏聚力。

(2)飽和石英云母片巖相對干燥狀態(tài)的彈性模量降低20%～40%，黏聚力降低25%～40%，內(nèi)摩擦角降低20%～30%。表明水對片巖的彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力有顯著影響，在實際工程設(shè)計應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)考慮水對巖體質(zhì)量的劣化影響。

(3)隨著圍壓的增加，石英云母片巖的各向異性程度呈線性遞減趨勢；且石英云母片巖的抗拉強(qiáng)度具有顯著的尺寸效應(yīng)。

(4)本文提出一種新的主應(yīng)力構(gòu)造精細(xì)應(yīng)力場方法，避免了大計算模型的邊界效應(yīng)，可對局部區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的片理模擬和精細(xì)應(yīng)力構(gòu)造。

(5)根據(jù)片理走向及不同傾角選定15個不同片理空間展布模型進(jìn)行計算分析，分別得出應(yīng)力、位移、塑性區(qū)隨片理角度的變化規(guī)律，并指出不同片理展布條件下的最不利工況。