基于PFC3D的某TBM隧洞巖石單軸抗壓強度研究

栗獻鋒

(山西中部引黃工程建設管理有限公司，山西 太原 030025)

巖石是廣泛存在于自然界的復雜地質體，因其復雜的內部結構與非均一的性質，導致影響其強度的參數(shù)眾多。巖石是巖土工程領域接觸最多的對象之一，在施工過程中其強度難以把握，同時巖石的強度又是指導施工的重要參數(shù)，所以對于巖石強度的探討一直是研究重點。趙云川等對巖石力學行為與尺度的關系進行了研究，建立了尺寸效應與強度關系的理想模型[1]。丁自偉等對砂巖的孔隙性質與強度的關系進行了研究，得到了孔隙導通與否是影響強度的重要因素[2]。

為研究巖石強度，本文從室內實驗出發(fā)，依托山西中部引黃工程TBM 2標，開展單軸壓縮試驗獲取巖塊強度參數(shù)。依托室內試驗結果開展單軸壓縮數(shù)值實驗，建立室內壓縮實驗參數(shù)與數(shù)值壓縮試驗參數(shù)關系，上述研究對于實際工程中采用數(shù)值模擬研究巖石強度有重要的參考價值。

1 巖石室內壓縮試驗方法

本文在山西中部引黃工程TBM 2標隧洞進行了采樣工作，該工程TBM 2標段隧洞是目前山西在建的最長輸水隧洞之一，主要施工內容包括：總干TBM施工段、TBM進洞支洞施工段、25號支洞(TBM通風支洞)、26號支洞(臨縣分水口交通)。項目劃為1個單位工程，21個分部工程，1 662個單元工程。采樣巖石為施工過程中廣泛揭露的花崗巖，采樣深度大于50 m，巖石新鮮裂隙發(fā)育較少。巖石定名為斑狀花崗巖，具有似斑狀結構，斑晶主要為長石，粒徑在5～10 mm之間，基質為顯晶質，主要為石英與云母，粒徑在0.5～3 mm之間。主要有石英、長石和云母組成，屬于斑狀結構。采樣后進行巖石切割與打磨，試樣的制備嚴格按照規(guī)范的要求制作，依據(jù)實驗標準規(guī)定[3]，標準圓柱試樣直徑50 mm，高徑比為2，在切割過程中需要滿足以下要求：①在整個試樣高度上，直徑誤差不超過0.30 mm；②兩端面的不平行度，不超過0.05 mm；③端面應垂直于試樣軸線，最大偏差不超過0.25°，切割后的標準試樣如圖1所示。

圖1 巖石試樣圖

巖石壓縮試驗采用MTS-816電液伺服巖石試驗系統(tǒng)進行，系統(tǒng)可以在壓縮過程中記錄當前應力與應變值的大小。測試方法：放入試塊，加載0.1 MPa壓力用以固定試塊，軸向加載采用軸向應變控制方式，恒定加載速率1.0 MPa，直至試樣破壞后停止實驗。實驗過程及加載后破壞試樣如圖2所示。由實驗得到巖石單軸抗壓強度為107 MPa，彈性模量為7.63 GPa。對巖石破壞后的裂紋進行分析，主要存在的為豎向裂紋，掉塊邊緣幾乎與圓柱形試塊軸線平行。

圖2 巖石壓縮試驗圖

2 顆粒流(PFC3D)程序模擬

顆粒流分析法通常把離散介質看作為顆粒單元的集合體，每個顆粒單元獨立運動，單元之間相互接觸、相互作用。

圖3 巖石數(shù)值模型圖

表1 巖石數(shù)值模型宏細觀參數(shù)表

E=1.9E*(R2=0.99)

(1)

(2)

其中，R2為擬和優(yōu)度。

3 TBM隧洞巖石強度模擬現(xiàn)場應用論證

本文基于山西引黃隧洞工程TBM2標采樣巖石進行了關于強度和彈性模量的物理實驗與數(shù)值實驗工作，將宏觀物理力學參數(shù)與PFC3D數(shù)值實驗細觀參數(shù)結合，得出了細觀參數(shù)標定方法，誤差控制在5%內，完全滿足現(xiàn)場關于巖石強度的應用需求。在現(xiàn)場應用過程中通過一組物理實驗獲取了力學性質的條件下，可以完成小區(qū)域內同種巖石的數(shù)值建模與壓縮試驗，分析巖石變形趨勢與破裂狀態(tài)，應用于TBM的開挖參數(shù)調整和隧洞災害預報。

4 結 語

對于山西中部引黃工程TBM 2標隧洞采樣的斑狀花崗巖，數(shù)值模擬得到結論如下：

3)在保持κ*、μ*為定值的情況下，細觀參數(shù)E*與其對應宏觀參數(shù)E的一次函數(shù)系數(shù)為1.9。