烏魯木齊地鐵隧道互層圍巖損傷演化規律模擬研究

謝良甫，王 博，王輝明，路玉佳

(新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

軟硬互層圍巖是由2種或2種以上不同材料組成的非均質巖體，在隧道、邊坡、地下洞室等地質工程中大量存在。由于此類互層圍巖結構不完整，圍巖質量等級較差，力學性能較低，破壞時力學特性比較復雜，易引發地質災害，給人民財產及道路交通安全造成重大威脅。大量的室內試驗及數值模擬研究認為，圍巖層厚比[1-2]、巖層傾角[3- 4]等幾何特征對圍巖的穩定性影響較大。侯志強等[5]通過室內試驗及能量分析得出，互層圍巖抗壓強度隨巖層傾角的增加呈“U”形變化，30°巖層傾角所需能量最低。陳宇龍等[6]分析了不同巖層傾角下裂紋發展情況，并對不同巖層傾角下的圍巖破壞進行了分類。黃鋒等[7]通過室內試驗得出互層圍巖破壞先從硬層逐漸發展至軟層，隨著軟層層厚的增加，其破壞峰值強度呈倒“V”形變化。崔華龍等[8]建立了互層巖體三軸數值模型，分析了不同層厚圍巖對細觀參數粘聚力、內摩擦角變化的影響。謝和平等[9]從能量耗散的角度分析了循環荷載下巖石破壞過程中的能量變化，從微觀角度描述了巖石的損傷演化。李昂等[10]基于FLAC模擬了互層巖體單軸壓縮過程，認為巖層傾角對互層巖體的力學特性影響較大，并對其破壞過程中裂紋的演化做了描述。此外，在邊坡、公路隧道、礦山等領域，眾多學者也開展了互層巖體的力學性質研究[11-18]。但以上研究都是從互層圍巖破壞的力學特性角度分析，對多個因素影響下互層圍巖破壞過程中細微觀的能量演化分析較少。

本文以烏魯木齊地鐵1號線隧道中強風化泥巖、砂巖的實際物理力學參數為依據，經過顆粒流數值模擬進行參數標定，使模擬結果能更加真實反應實際情況，然后進行二維單軸抗壓強度的試驗研究，分析不同層厚比及巖層傾角下的力學特性及能量變化過程，為地鐵建造提供理論參考。

表1 宏細觀參數與標定結果對比

1 顆粒流計算

1.1 計算原理

顆粒流數值模擬是由球體、墻體(三維)為基本單元所組成的系統，二維為圓盤、線條組成的系統，圓盤或球體是不可變形的剛體。為了模擬不同的材料，顆粒之間接觸需要建立本構關系。本文采用的本構關系為平行粘結模型，平行粘結模型可以抽象地視為2個接觸的顆粒產生細微的重合區域，二維模型視為1條線，這條線既可以傳遞力，也可以傳遞力矩，隨著荷載的施加，當接觸間的力和力矩小于等于零時，被認為平行粘結模型存在，反之這種本構關系消失。因此，平行粘結模型比較適合模擬巖石材料[19]。

顆粒流數值模擬無側限單軸壓縮過程中，顆粒集合體模擬巖體，通過移動并控制墻體的速度，給巖石材料加壓，巖石材料破壞的整個過程都可以被顆粒流軟件記錄。Fish語言記錄并計算墻體上的力，得到軸向應力，通過記錄上下加壓板豎向位移的變化，得到軸向應變。

1.2 數值試驗方案

試驗固定層厚為2 cm，以巖層傾角、層厚比(強風化泥巖與強風化砂巖之比)為影響因子進行研究，互層圍巖層厚比依次為0.2、0.3、0.5、0.7、1。巖層傾角依次為0°、20°、40°、60°、80°。共計25組試樣。

2 數值試驗

2.1 模型建立

通過對烏魯木齊地鐵1號線穿越區域內大量的強風化泥巖、砂巖進行室內單軸及三軸壓縮試驗，得出其宏觀參數(如粘聚力、內摩擦角、泊松比等)。同時，在顆粒流數值模擬軟件中進行參數標定，使數值模擬結果最大可能反映真實試驗。本文采用高12 cm、寬6 cm的長方形試樣模擬互層圍巖。在軟件中共生成6 072個大小不一的顆粒，顆粒的粒徑比為2。經過比較，選擇了平行粘結模型，共生成16 279個接觸。采用contact group對不同層的顆粒賦予相應的參數，以此模擬互層圍巖中的不同層面。互層圍巖試樣見圖1。圖1中，1、3、5層均為強風化泥巖；2、4、6層為強風化砂巖。圖1a層厚為2 cm、 層厚比0.3、傾角60°；圖1b層厚2 cm、層厚比0.5、傾角為0°。

圖1 互層圍巖試樣

2.2 參數標定

由于顆粒流數值模擬軟件中宏觀參數與細觀參數沒有一一對應的關系，需要通過大量的試驗進行標定，使宏細觀參數所表現出的力學特性大致相似。本次主要進行了泊松比、彈性模量、粘聚力、內摩擦角的標定。宏細觀參數與標定結果對比見表1。從表1可知，宏細觀參數標定結果較為接近，2個對應的參數最大差異均小于15%，可以很好地模擬強風化泥巖、砂巖的試驗效果。

3 試驗結果分析

圍巖傾角、層厚比對試樣單軸抗壓強度的影響趨勢見圖2。從圖2可以看出，圍巖傾角為0°、20°、80°時，隨著圍巖層厚比的增加，單軸抗壓強度呈減小趨勢；圍巖傾角為40°、60°時，隨著圍巖層厚比的增加，單軸抗壓強度的變化不大。說明隨著層厚比的增加，圍巖傾角為0°、20°、80°時對圍巖單軸抗壓強度的影響較為明顯，0°時最為顯著。圍巖傾角為40°、60°時，圍巖層厚比的變化對圍巖單軸抗壓強度影響較小，且此時的圍巖處于比較脆弱的狀態，在地下隧道施工開挖的過程中，具有這些特點的互層巖體值得更加關注。

圍巖層厚比為0.2～0.6時，曲線斜率較大，單軸抗壓強度減小速度快；圍巖層厚比為0.6～1.0時，曲線斜率較小，單軸抗壓強度減小速度明顯減慢。可以看出，層厚比為1時，不同圍巖傾角的單軸抗壓強度基本匯聚于一點，說明圍巖傾角的變化對圍巖單軸抗壓強度影響很小，層厚比越小，對不同巖層傾角下的單軸抗壓強度的影響越顯著。這主要是因為層厚比越小，強風化砂巖在軸向壓力的破壞中越起主要作用，而強風化砂巖的強度相對強風化泥巖較強，巖層傾角的變化從一定程度上減小了強風化砂巖的作用，造成了圍巖單軸抗壓強度的較大變化。

圖2 圍巖傾角、層厚比對試樣單軸抗壓強度的影響

4 破壞機制分析

為了深入研究互層圍巖不同傾角、層厚比組合下的破壞機制，分別選取了單軸抗壓強度中間、最大及最小的3組試樣，從裂紋發展及能量場的演化分析互層圍巖的細觀破壞機制。3組試樣參數見表2。

表2 3組試樣參數

4.1 裂紋圖像分布特征

A、B、C這3組試樣破壞后的裂紋分布見圖3。圖3中，淺色為剪切裂紋，深色為拉伸裂紋。從細微觀角度看，剪切裂紋的數量遠遠多于拉伸裂紋，這主要與平行粘結模型中的切向粘結強度與法向粘結強度比值有關。從圖3可知，3組試樣中軟巖主要為塑性破壞，產生大量的剪切裂紋及少量的拉伸裂紋；硬巖主要為脆性破壞，由大量拉伸裂紋及少量剪切裂紋組成，或者由于軟巖較厚，硬巖還未發生破壞，圍巖試樣就達到了停止加壓條件。

A組試樣2、4層出現了貫穿的拉伸裂紋及少量的剪切裂紋，1、3、5層有大量的剪切裂紋，主要破壞形式為脆性破壞。B組試樣只有第4層有1條彎曲的宏觀的拉伸裂紋，1、3、5層有大量的剪切裂紋，破壞形式以塑性破壞為主。C組試樣主要是1、3、5層的剪切裂紋，而且剪切裂紋不像A、B試樣為大量充滿，主要是由于C組試樣巖層傾角較大，發生了層與層之間的細微相對位移造成的。

圖3 3組試樣裂紋

4.2 裂紋發展特征

顆粒間的接觸由于受到集中力的作用產生裂隙，隨著集中力的持續增加產生裂紋，集中應力由剪切應力和拉伸應力組成。圖4為互層圍巖裂紋總數量隨應變變化趨勢。從圖4可知，3組裂紋基本在同一軸向應變開始發展，A組單軸抗壓強度最大，裂紋發展曲線較為平緩，裂紋數量在后期迅速增加，主要是由于試樣發生明顯破壞引起的。C組單軸抗壓強度最小，裂紋發展最為迅速，裂紋數最少。B組單軸抗壓強度接近于C組，裂紋數量卻與A組接近，裂紋發展曲線較為陡峭。B、C組雖然單軸抗壓強度差異不大，但由于其不同的層厚比及圍巖傾角組合，使其裂紋發展的數量快慢也有較大差異。由此可知，圍巖傾角、層厚比對裂紋發展的快慢及裂紋數量的多少都有一定影響。

圖4 裂紋發展特征

4.3 能量發展特征

互層巖體壓縮破壞過程是顆粒間發生了能量的積累、轉化與釋放。互層圍巖試樣破壞過程中應變能和摩擦能組成總的勢能，應變能由顆粒應變能和平行粘結應變能組成。當處于荷載下的應變能逐漸積累達到巖體承受能量的極限時，巖體的微觀結構發生較大變化隨即釋放能量，在宏觀上產生試樣的破壞，同時釋放的應變能也會迅速的轉化為摩擦能。

不同組的能量發展特征見圖5。從圖5可知，單軸抗壓強度越大，其應變能及峰值越大，摩擦能受單軸抗壓強度的影響不確定。A組圍巖的應變能積累到峰值時迅速下降，而其摩擦能卻在此刻急速上升，說明兩者之間發生了能量的轉化；B組的應變能及摩擦能都比較小，但依然可以看到一個能量的轉化過程；而C組由于其圍巖傾角及層厚比的特殊組合，應變能積累過程相對微小，很快觸發摩擦能迅速增加，這也進一步說明了C組圍巖產生了層與層之間較為明顯的摩擦，而在圍巖試樣破碎后，應力釋放，摩擦能出現了降低的情況。因此，由于圍巖層厚比及巖層傾角的不同組合，其破壞中能量的演化也有很大的區別。

圖5 能量發展特征

5 結 語

本文基于顆粒流數值模擬，對不同幾何特征的互層巖體進行了單軸壓縮模擬，并分析了不同幾何特征對互層巖體單軸抗壓強度、裂紋、能量的影響。研究可知，隨著圍巖層厚比的增加，不同的巖層傾角對單軸抗壓強度的影響不同；隨著巖層傾角的增加，不同的層厚比對單軸抗壓強度的影響也不同，但總體上呈“U”形變化趨勢。不同層厚比、巖層傾角組成的3組試樣的裂紋個數、發展趨勢及裂紋的分布都有較大差異。3組試樣中，不同的層厚比、巖層傾角的組合造成較大的能量演化差異，由于破壞模式的不同，使得摩擦能出現了不同于應變能的能量演化。

需要說明的是，關于層厚比、巖層傾角這2個因素對裂紋及能量影響哪個更為敏感，需要進一步探究。