楊明明

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司,河北 保定 072750)

0 引言

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的快速推進(jìn),公路工程、水利水電工程等基礎(chǔ)設(shè)施大量建設(shè)。西部地區(qū)地形地勢(shì)復(fù)雜,基礎(chǔ)工程建設(shè)最大的難題之一就是巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)活動(dòng)中,巖體內(nèi)部存在大量的節(jié)理、裂隙及斷層等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面。在極大的原巖應(yīng)力作用下,在結(jié)構(gòu)面及應(yīng)力卸載的共同作用下,必然會(huì)破壞巖體原有的穩(wěn)定性,使巖體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。因而有必要針對(duì)山區(qū)深埋巖體,探究在不同節(jié)理傾角下隧道開(kāi)挖對(duì)巖體穩(wěn)定性的影響。

對(duì)于節(jié)理巖體研究方法,目前主要有經(jīng)驗(yàn)分析法[1-2]、理論分析[3-4]、室內(nèi)試驗(yàn)[5-6]及數(shù)值模擬[7]等,李劍光等[8]通過(guò)顆粒離散元研究了單節(jié)理不同傾角對(duì)隧道穩(wěn)定性影響,揭示了節(jié)理與洞壁相交處位移較大機(jī)制。谷拴成等[9]通過(guò)有限元軟件及理論推導(dǎo),得出隧道各層破壞面與垂向夾角,進(jìn)而推算出冒落拱的高度。楊仁樹(shù)等[10]通過(guò)理論推導(dǎo)獲得底板損傷破壞深度及損傷區(qū)分布特征,并通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出底板的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。

從上述以往學(xué)者研究不難發(fā)現(xiàn),目前復(fù)雜地質(zhì)工況理論推導(dǎo)存在局限性。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,數(shù)值模擬對(duì)復(fù)雜工況計(jì)算有很大優(yōu)勢(shì),針對(duì)巖體的數(shù)值模擬,有限元及有限差分等數(shù)值軟件能夠很好地揭示宏觀變形位移特征,但其對(duì)揭示細(xì)微觀破壞機(jī)制及巖土體大變形破壞存在缺陷。

顆粒離散元PFC 基于力-位移準(zhǔn)則及運(yùn)動(dòng)法則,能從細(xì)微觀角度揭示隧道圍巖應(yīng)力重分布后巖石內(nèi)部損傷裂紋發(fā)展情況,基于大變形計(jì)算優(yōu)勢(shì),能揭示隧道巖爆產(chǎn)生區(qū)域及方向。從細(xì)微觀角度及大變形角度揭示巖體隧道變形本質(zhì)。

1 工程概況及離散元模型參數(shù)確定

1.1 工程概況

本數(shù)值模型試驗(yàn)是以汾西礦務(wù)局南關(guān)礦3206 回采隧道為背景,埋深530～650 m,硐室半徑為2 m,上覆巖層平均容重約23 kN/m3,靜水壓力20 MPa,內(nèi)摩擦角為32°,巖石單軸抗壓強(qiáng)度31.8 MPa。巖體內(nèi)部層理、節(jié)理交錯(cuò)、貫穿。在高地應(yīng)力作用下,隧道巖體變形機(jī)理極其復(fù)雜,影響隧道開(kāi)挖安全性。

1.2 離散元基本原理及模型參數(shù)確定

顆粒離散元PFC2D,基于兩大法則(力-位移準(zhǔn)則及運(yùn)動(dòng)法則)不斷更新顆粒位置及力。

1.2.1 力-位移準(zhǔn)則

顆粒離散元模型中,作用于接觸模型的力由切向接觸力和法向接觸力組成:

結(jié)合本構(gòu)模型,可得到作用于顆粒上的合力及合力矩。

1.2.2 運(yùn)動(dòng)法則

通過(guò)力-位移準(zhǔn)則確定了作用于顆粒上的合力和合力矩,而后根據(jù)運(yùn)動(dòng)法則,可建立顆粒平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程:

將通過(guò)運(yùn)動(dòng)法則計(jì)算得到的位置信息更新,代入力-位移準(zhǔn)則,重新算得作用于顆粒上合力和合力矩[8],如此反復(fù)。

與傳統(tǒng)有限元及有限差分法不同,PFC2D針對(duì)不同巖土特性材料選用不同接觸模型。顆粒離散元軟件中附帶大量接觸本構(gòu)模型,能很好反映砂土摩擦屬性的線性模型,不考慮抗轉(zhuǎn)動(dòng)影響的點(diǎn)接觸模型以及考慮抗轉(zhuǎn)動(dòng)的平行粘結(jié)模型及平節(jié)理模型,對(duì)于模擬巖石內(nèi)部損傷和節(jié)理的光滑節(jié)理模型,大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),顆粒離散元細(xì)觀參數(shù)與材料的宏觀參數(shù)不是一一對(duì)應(yīng),其中平行粘結(jié)模型能較好地反映巖石的力學(xué)特性及變形特性[9-10],其本構(gòu)模型見(jiàn)圖1。顆粒受外力作用,當(dāng)其荷載超過(guò)極限荷載時(shí),接觸模型中的法向接觸強(qiáng)度和切向接觸強(qiáng)度同時(shí)降為0,模型一般退化成線性接觸模型;力矩與轉(zhuǎn)角角度相關(guān),當(dāng)達(dá)到抗彎極限,力矩?cái)?shù)值減小為0。

圖1 平行粘結(jié)本構(gòu)模型

本文基于室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù),采用試錯(cuò)法獲取平行粘結(jié)模型細(xì)觀強(qiáng)度參數(shù),見(jiàn)表1。

表1 DEM 模型細(xì)觀參數(shù)[11]

通過(guò)單軸試驗(yàn)驗(yàn)證細(xì)觀參數(shù)準(zhǔn)確性,見(jiàn)圖2,DEM 單軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值應(yīng)變及峰值應(yīng)力與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符,破壞形式符合巖石的單剪破壞形態(tài)[12]。宏觀參數(shù)與DEM 試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2,吻合度較高,PFC2D較好地反映巖體變形及力學(xué)特性。

表2 宏觀參數(shù)及DEM 試樣力學(xué)參數(shù)對(duì)比

圖2 單軸標(biāo)定應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)

2 含不同傾角節(jié)理離散元模型建立

基于上文接觸模型及細(xì)觀參數(shù),建立含不同節(jié)理隧道模型。研究圓形隧道半徑為2 m,考慮尺寸效應(yīng),取模型長(zhǎng)寬為24 m×24 m。模型邊界由四面墻單元組成,通過(guò)伺服控制程序,控制邊界應(yīng)力維持在30 MPa。節(jié)理模型通過(guò)光滑節(jié)理模型模擬,考慮到巖體節(jié)理密度較大,為揭示節(jié)理密集情況下巖體破壞特征,數(shù)值模擬中節(jié)理間距為3.5 m,研究無(wú)節(jié)理巖體、節(jié)理傾角20°、節(jié)理傾角45°及節(jié)理傾角70°共4 種工況下的圓形隧道力學(xué)及變形演化特征[13-14]。不同節(jié)理隧道模型見(jiàn)圖3所示。

圖3 含不同節(jié)理隧道模型

3 離散元模型計(jì)算結(jié)果

下文主要從變形、裂紋發(fā)展情況及徑向應(yīng)力分析不同傾角節(jié)理對(duì)隧道穩(wěn)定性影響。

3.1 變形及裂紋發(fā)展情況

不同傾角節(jié)理巖體變形及裂紋發(fā)育情況見(jiàn)圖4所示。圖5為節(jié)理傾角70°局部裂隙放大圖。

圖4 不同傾角節(jié)理巖體變形及裂紋發(fā)育情況

圖5 節(jié)理傾角70°局部裂隙放大圖

由圖4(a)可知,對(duì)于無(wú)節(jié)理巖體,開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布,在不考慮結(jié)構(gòu)面情況下,卸載作用下巖體四周應(yīng)力分布較均勻,裂隙沿臨空面較近距離分布,且裂隙發(fā)育程度較低。由圖4(b)與圖4(d)可知,節(jié)理傾角20°及傾角70°巖體,變形沿臨空面方向分布明顯不均勻,且變形量明顯高于無(wú)節(jié)理巖體。由于貫穿節(jié)理切割巖體,導(dǎo)致巖體呈現(xiàn)各向異性,在節(jié)理與臨空面接觸處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致裂隙從接觸處擴(kuò)展,不斷向巖體內(nèi)部發(fā)育,極大地降低隧道巖體穩(wěn)定性[15]。由圖4(c)可知,節(jié)理傾角45°時(shí),巖體向臨空面變形較其他角度減小,裂紋發(fā)育區(qū)域減小。

在高應(yīng)力作用下,深部巖體極易誘發(fā)巖爆作用,對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。通過(guò)分析不同節(jié)理下裂紋擴(kuò)展方式發(fā)現(xiàn)裸巷模型,裂紋在臨空面分布較均勻,巖石沿隧道周邊損傷均勻,應(yīng)力集中現(xiàn)象有一定程度釋放。節(jié)理角度為20°及70°時(shí),節(jié)理與隧道臨空面交界處出現(xiàn)破裂塊體,高應(yīng)力作用下,其交界處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,發(fā)生巖爆作用,巖爆作用均出現(xiàn)于兩節(jié)理之間。節(jié)理傾角為45°時(shí),出現(xiàn)巖爆作用,但其作用強(qiáng)度小于節(jié)理傾角為20°及70°隧道。節(jié)理角度20°及70°,模型各向異性較大,隧道在節(jié)理與臨空面交界處的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,巖爆產(chǎn)生概率增大。

3.2 徑向應(yīng)力情況

從應(yīng)力重分布角度分析節(jié)理對(duì)隧道穩(wěn)定性影響,不同傾角節(jié)理巖體徑向應(yīng)力分布見(jiàn)圖6所示。

由圖6(a)可知,無(wú)節(jié)理隧道,開(kāi)挖卸荷作用下,隧道臨空面徑向應(yīng)力較大,隧道整體性較完整,與上述裂紋發(fā)展規(guī)律相符。由圖6(b)與圖6(d)可知,節(jié)理傾角20°及70°隧道,應(yīng)力重分布后,由于巖石損傷,巖爆作用發(fā)生,臨空面徑向應(yīng)力衰減嚴(yán)重,隧道處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。由圖6(c)可知,節(jié)理傾角為45°時(shí),徑向應(yīng)力一定程度衰減,但仍具有一定支撐作用。

圖6 不同傾角節(jié)理巖體徑向應(yīng)力分布

圖7不同傾角節(jié)理徑向應(yīng)力對(duì)比,巖體開(kāi)挖卸荷作用下,對(duì)于無(wú)節(jié)理模型及節(jié)理傾角45°,臨空面巖體破壞程度較小,臨空面巖體較完整,應(yīng)力較大。節(jié)理角度20°及70°巖體,由于巖體各向異性加劇,臨空面巖體破壞嚴(yán)重,徑向應(yīng)力嚴(yán)重降低,對(duì)隧道支撐作用極大減低,巖體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 不同傾角節(jié)理徑向應(yīng)力對(duì)比

4 多節(jié)理對(duì)隧道穩(wěn)定性影響

上述研究了一組平行節(jié)理對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘察,巖體含有大量面節(jié)理,與平行節(jié)理貫穿形成多組交錯(cuò)節(jié)理,巖石被交錯(cuò)節(jié)理切割。在上述研究的45°節(jié)理基礎(chǔ)下,添加一條模擬面節(jié)理的平行節(jié)理,研究隧道在多節(jié)理狀態(tài)下穩(wěn)定性,見(jiàn)圖8所示。

圖8 多組交錯(cuò)節(jié)理隧道模型

隧道多節(jié)理狀態(tài)下變形及裂紋發(fā)展情況見(jiàn)圖9。由圖9可知,隧道臨空面變形大,交界面處裂紋發(fā)育劇烈,伴隨著巖爆現(xiàn)象,大量塊體掉落或傾向隧道空間,巖體處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。圖10 為多節(jié)理巖體局部裂隙放大圖。

圖9 多節(jié)理巖體變形及裂紋發(fā)育情況

圖10 多節(jié)理巖體局部裂隙放大圖

節(jié)理將巖體切割成塊體,巖體開(kāi)挖卸荷作用下,應(yīng)力重分布,在塊體交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中,巖體從卸荷最嚴(yán)重的隧道臨空面開(kāi)始發(fā)生損傷,隧道臨空面處徑向應(yīng)力急速減低,趨向于0,徑向應(yīng)力最大點(diǎn)向巖體深部移動(dòng),見(jiàn)圖11 所示。

圖11 多節(jié)理巖體徑向應(yīng)力分布

由圖11 可知,多組節(jié)理隧道穩(wěn)定性極大降低,可從裂紋發(fā)育及應(yīng)力分布情況揭示其機(jī)理。由于多層節(jié)理對(duì)巖體其切割作用,形成的塊體交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中,損傷從臨空面逐漸向巖體內(nèi)部擴(kuò)展,造成隧道失穩(wěn)。

5 結(jié)論

(1)基于顆粒離散元PFC2D建立了不同節(jié)理角度巖體模型,在開(kāi)挖卸荷作用下,從變形及裂隙發(fā)展角度揭示了不同節(jié)理角度對(duì)巖體穩(wěn)定性影響,揭示了變形機(jī)理破壞機(jī)理。

(2)節(jié)理傾角為20°及70°時(shí),巖體各向異性較大,隧道在節(jié)理與臨空面交界處的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,巖體損傷作用明顯,巖爆產(chǎn)生概率增大。

(3)隨著巖體各向異性較大,巖體沿隧道臨空面變形增大,裂隙發(fā)育劇烈,不斷向內(nèi)部擴(kuò)展,徑向應(yīng)力急劇降低,隧道穩(wěn)定性嚴(yán)重降低。

(4)多層節(jié)理對(duì)巖體的切割作用明顯,其交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂紋從臨空面向巖體內(nèi)部擴(kuò)展,隧道巖爆作用明顯,自穩(wěn)狀態(tài)極大降低。