考慮應(yīng)變軟化和剪脹特性的軟巖洞室穩(wěn)定性分析

王家興，李曉龍，謝 琨，申玉松

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

考慮應(yīng)變軟化和剪脹特性的軟巖洞室穩(wěn)定性分析

王家興，李曉龍，謝 琨，申玉松

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

巖土材料的復(fù)雜性使得人們無(wú)法采用統(tǒng)一的本構(gòu)模型來(lái)表達(dá)其在外力作用下的力學(xué)響應(yīng)特性.無(wú)數(shù)試驗(yàn)和實(shí)際工程表明，莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則能較好地?cái)M合試驗(yàn)結(jié)果和可靠地應(yīng)用于巖土工程實(shí)踐.數(shù)值模擬可充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，采用考慮應(yīng)變軟化和剪脹特性的莫爾—庫(kù)侖模型進(jìn)行軟巖隧洞的穩(wěn)定性模擬，以達(dá)到更精確地對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬分析的目的.

應(yīng)變軟化;剪脹性;軟巖洞室;數(shù)值模擬

0 引言

近年來(lái)，西部重大工程的相繼啟動(dòng)帶動(dòng)了大量深埋長(zhǎng)大隧洞工程的建設(shè).我國(guó)西部地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，大埋深軟巖隧道開(kāi)挖以后，圍巖破壞必先從洞壁開(kāi)始.圍巖在破壞過(guò)程中，因其內(nèi)部裂紋不斷擴(kuò)展和張開(kāi)而呈現(xiàn)剪脹破壞.與此同時(shí)，剪脹破壞致使圍巖強(qiáng)度降低從而進(jìn)一步引起圍巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，使隧道產(chǎn)生變形.因此，分析高應(yīng)力條件下軟巖隧道穩(wěn)定性時(shí)，需考慮圍巖剪脹效應(yīng)［1］及應(yīng)變軟化效應(yīng)［2］.

1 軟巖的本構(gòu)關(guān)系

大量的理論及實(shí)踐證明:莫爾—庫(kù)侖準(zhǔn)則是描述巖土材料剪切破壞行為最簡(jiǎn)單、最適用的準(zhǔn)則.該準(zhǔn)則適用于軟巖在高應(yīng)力作用下的圍巖塑性剪切流動(dòng)力學(xué)行為描述.

軟巖的全應(yīng)力—應(yīng)變實(shí)驗(yàn)表明［3－6］，當(dāng)巖體強(qiáng)度達(dá)到其極限強(qiáng)度后，巖體變形進(jìn)入塑性軟化階段，巖體自身的強(qiáng)度隨著應(yīng)變的增大逐漸衰減，直至殘余強(qiáng)度［7］，具體如圖1所示.

圖1 軟巖抗剪參數(shù)軟化示意圖

對(duì)于隧道圍巖來(lái)說(shuō)，在彈塑性區(qū)邊界上巖體處于彈塑性的臨界狀態(tài)，該處巖體尚未產(chǎn)生裂紋和塑性軟化，所以，巖體的塑性軟化強(qiáng)度與極限抗壓強(qiáng)度相同.隨著半徑的減小，巖體的變形破壞越來(lái)越嚴(yán)重，巖體的自身強(qiáng)度也逐漸減小.在隧道周邊，圍巖的應(yīng)變值最大，其己經(jīng)破壞的巖體塑性軟化強(qiáng)度就是巖體的殘余強(qiáng)度.

剪脹角Ψ是用來(lái)表示材料在剪切過(guò)程中體積變化率的一個(gè)物理量，Ψ是剪切位移方向與剪應(yīng)力方向的平均夾角，如圖2所示.通常，剪脹角并非常數(shù)，而是一個(gè)變量，與圍壓及孔隙比(或密實(shí)度)有關(guān)，并隨應(yīng)力應(yīng)變曲線而變化［8］.剪脹角Ψ隨著剪切應(yīng)變的增加，Ψ先增加后減少.

圖2 軟巖的剪脹角

2 軟巖洞室穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.1 模型及參數(shù)

基于軟巖的軟化及剪脹性，本研究在隧洞模擬時(shí)采用考慮剪脹角的雙線性應(yīng)變軟化塑性模型對(duì)一13 m圓形洞型進(jìn)行模擬，所建模型如圖3所示，其力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力值見(jiàn)表1～3，隧洞開(kāi)挖方式為全斷面開(kāi)挖.

圖3 模型計(jì)算網(wǎng)格示意圖

表1 力學(xué)參數(shù)

表2 剪脹角參數(shù)

表3 地應(yīng)力參數(shù)

2.2 支護(hù)前軟巖洞室變形特征

無(wú)支護(hù)隧洞數(shù)值模擬分析結(jié)果表明:軟巖隧洞塑性區(qū)深度5.2 m，在拱頂、拱底和左右洞壁前方范圍內(nèi)，出現(xiàn)一定范圍的剪應(yīng)力集中區(qū)，如圖4所示;在掌子面前方15 m范圍處有變形，圍巖內(nèi)部位移量在20～40 mm之間;最大變形出現(xiàn)在隧洞四周約1～2 m處，位移最大值達(dá)16 cm，如圖5所示.

圖4 支護(hù)前軟巖洞室圍巖塑性區(qū)分布圖

圖5 支護(hù)前軟巖洞室圍巖點(diǎn)位移分布云圖

軟巖隧道開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)情況下，圍巖將出現(xiàn)剪切和張拉破壞，極有可能發(fā)生大變形甚至坍塌，故軟巖洞室開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù).

2.3 支護(hù)后軟巖洞室變形特征

依照工程類比［9－10］，本研究支護(hù)模擬采用C25混凝土和8 m錨桿噴錨支護(hù).噴射混凝土厚度為0.3 m，用錨索單元(cable)模擬錨桿支護(hù)，錨桿布置為梅花形，間距為1.2 m.支護(hù)數(shù)值模擬材料參數(shù)如表4所示.

表4 錨桿、噴射混凝土力學(xué)參數(shù)

支護(hù)后軟巖隧洞數(shù)值模擬分析結(jié)果表明:軟巖洞室圍巖塑性區(qū)深度為0.5 m，如圖6所示;軟巖洞室圍巖最大位移量為59.6 mm，圍巖內(nèi)部位移量約在5～55 mm之間，隧道變形值最大位于距離噴射混凝土后洞壁0.2 m范圍內(nèi)，如圖7所示.

圖6 支護(hù)后軟巖洞室圍巖塑性分布圖

相比無(wú)支護(hù)情況下，支護(hù)后軟巖隧洞圍巖塑性區(qū)深度及最大變形量均明顯減小，在采用噴錨支護(hù)后，預(yù)應(yīng)力錨桿通過(guò)預(yù)拉應(yīng)力提高了巖層間的密實(shí)度，增大巖層間的摩擦力.同時(shí)，錨桿本身的抗剪能力也有效地阻止了巖層間的錯(cuò)動(dòng)，且錨桿間的壓應(yīng)力錐體相互交錯(cuò)，使隧洞周圍的巖層形成一種連續(xù)的組合帶，有效地提高了巖體抗剪強(qiáng)度.

圖7 支護(hù)后軟巖洞室圍巖點(diǎn)位移分布云圖

3 結(jié)論

本研究采用Flac 3D中考慮剪脹角的雙線性應(yīng)變軟化塑性模型對(duì)13 m圓形洞型進(jìn)行模擬，對(duì)無(wú)支護(hù)及支護(hù)后軟巖洞室穩(wěn)定性進(jìn)行模擬.

1)開(kāi)挖后無(wú)支護(hù)軟巖隧洞數(shù)值模擬結(jié)果表明，隧洞圍巖塑性區(qū)深度和最大變形均較大，圍巖出現(xiàn)剪切和張拉破壞，極可能發(fā)生大變形甚至坍塌.

2)開(kāi)挖后采用噴錨支護(hù)軟巖隧洞數(shù)值模擬結(jié)果表明，隧洞圍巖塑性區(qū)深度和最大變形均明顯減少，圍巖的變形破壞得到了很好控制，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài).

3)軟巖隧洞采用噴錨支護(hù)時(shí)錨桿通過(guò)預(yù)拉應(yīng)力提高了巖層間的密實(shí)度，增大巖層間的摩擦力.同時(shí)，錨桿本身的抗剪能力也有效地阻止了巖層間的錯(cuò)動(dòng)，有效提高了巖體抗剪強(qiáng)度，從而保證軟弱圍巖的穩(wěn)定性.

4)模擬分析Flac 3D中考慮剪脹角的雙線性應(yīng)變軟化塑性模型能較好地反映軟巖開(kāi)挖后圍巖穩(wěn)定性.

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Stability Analysis of Soft Rock Tunnel Considering Strain Softening and Dilatancy

WANG Jiaxing，LI Xiaolong，XIE Kun，SHEN Yusong
(The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

The complexity of geotechnical materials makes it impossible to adopt a unified constitutive model to express their mechanical response under external force.Numerous tests and practical projects show that Mohr-Coulomb criterion can better fit the experimental results and is reliably used in geotechnical engineering practice.The full subjective initiative is taken in simulation，and Mohr-Coulomb model considering strain softening and dilatancy is carried out to simulate the stability of soft rock tunnel in order to achieve a more accurate numerical simulation analysis for engineering cases.

strain softening;dilatancy;soft rock tunnel;numerical simulation

TD313

A

1004－5422(2014)01－0086－03

2013－11－18.

王家興(1988—)，男，碩士研究生，從事地質(zhì)災(zāi)害防治與巖土力學(xué)研究.