考慮應變軟化和剪脹特性的軟巖洞室穩定性分析

王家興，李曉龍，謝 琨，申玉松

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

考慮應變軟化和剪脹特性的軟巖洞室穩定性分析

王家興，李曉龍，謝 琨，申玉松

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

巖土材料的復雜性使得人們無法采用統一的本構模型來表達其在外力作用下的力學響應特性.無數試驗和實際工程表明，莫爾—庫侖準則能較好地擬合試驗結果和可靠地應用于巖土工程實踐.數值模擬可充分發揮主觀能動性，采用考慮應變軟化和剪脹特性的莫爾—庫侖模型進行軟巖隧洞的穩定性模擬，以達到更精確地對工程實例進行數值模擬分析的目的.

應變軟化;剪脹性;軟巖洞室;數值模擬

0 引言

近年來，西部重大工程的相繼啟動帶動了大量深埋長大隧洞工程的建設.我國西部地區地質環境復雜，大埋深軟巖隧道開挖以后，圍巖破壞必先從洞壁開始.圍巖在破壞過程中，因其內部裂紋不斷擴展和張開而呈現剪脹破壞.與此同時，剪脹破壞致使圍巖強度降低從而進一步引起圍巖應力場發生改變，使隧道產生變形.因此，分析高應力條件下軟巖隧道穩定性時，需考慮圍巖剪脹效應［1］及應變軟化效應［2］.

1 軟巖的本構關系

大量的理論及實踐證明:莫爾—庫侖準則是描述巖土材料剪切破壞行為最簡單、最適用的準則.該準則適用于軟巖在高應力作用下的圍巖塑性剪切流動力學行為描述.

軟巖的全應力—應變實驗表明［3－6］，當巖體強度達到其極限強度后，巖體變形進入塑性軟化階段，巖體自身的強度隨著應變的增大逐漸衰減，直至殘余強度［7］，具體如圖1所示.

圖1 軟巖抗剪參數軟化示意圖

對于隧道圍巖來說，在彈塑性區邊界上巖體處于彈塑性的臨界狀態，該處巖體尚未產生裂紋和塑性軟化，所以，巖體的塑性軟化強度與極限抗壓強度相同.隨著半徑的減小，巖體的變形破壞越來越嚴重，巖體的自身強度也逐漸減小.在隧道周邊，圍巖的應變值最大，其己經破壞的巖體塑性軟化強度就是巖體的殘余強度.

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

圖2 軟巖的剪脹角

2 軟巖洞室穩定性數值模擬

2.1 模型及參數

基于軟巖的軟化及剪脹性，本研究在隧洞模擬時采用考慮剪脹角的雙線性應變軟化塑性模型對一13 m圓形洞型進行模擬，所建模型如圖3所示，其力學參數及地應力值見表1～3，隧洞開挖方式為全斷面開挖.

圖3 模型計算網格示意圖

表1 力學參數

表2 剪脹角參數

表3 地應力參數

2.2 支護前軟巖洞室變形特征

無支護隧洞數值模擬分析結果表明:軟巖隧洞塑性區深度5.2 m，在拱頂、拱底和左右洞壁前方范圍內，出現一定范圍的剪應力集中區，如圖4所示;在掌子面前方15 m范圍處有變形，圍巖內部位移量在20～40 mm之間;最大變形出現在隧洞四周約1～2 m處，位移最大值達16 cm，如圖5所示.

圖4 支護前軟巖洞室圍巖塑性區分布圖

圖5 支護前軟巖洞室圍巖點位移分布云圖

軟巖隧道開挖后無支護情況下，圍巖將出現剪切和張拉破壞，極有可能發生大變形甚至坍塌，故軟巖洞室開挖后應及時進行支護.

2.3 支護后軟巖洞室變形特征

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

表4 錨桿、噴射混凝土力學參數

支護后軟巖隧洞數值模擬分析結果表明:軟巖洞室圍巖塑性區深度為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，如圖7所示.

圖6 支護后軟巖洞室圍巖塑性分布圖

相比無支護情況下，支護后軟巖隧洞圍巖塑性區深度及最大變形量均明顯減小，在采用噴錨支護后，預應力錨桿通過預拉應力提高了巖層間的密實度，增大巖層間的摩擦力.同時，錨桿本身的抗剪能力也有效地阻止了巖層間的錯動，且錨桿間的壓應力錐體相互交錯，使隧洞周圍的巖層形成一種連續的組合帶，有效地提高了巖體抗剪強度.

圖7 支護后軟巖洞室圍巖點位移分布云圖

3 結論

本研究采用Flac 3D中考慮剪脹角的雙線性應變軟化塑性模型對13 m圓形洞型進行模擬，對無支護及支護后軟巖洞室穩定性進行模擬.

1)開挖后無支護軟巖隧洞數值模擬結果表明，隧洞圍巖塑性區深度和最大變形均較大，圍巖出現剪切和張拉破壞，極可能發生大變形甚至坍塌.

2)開挖后采用噴錨支護軟巖隧洞數值模擬結果表明，隧洞圍巖塑性區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，圍巖處于穩定狀態.

3)軟巖隧洞采用噴錨支護時錨桿通過預拉應力提高了巖層間的密實度，增大巖層間的摩擦力.同時，錨桿本身的抗剪能力也有效地阻止了巖層間的錯動，有效提高了巖體抗剪強度，從而保證軟弱圍巖的穩定性.

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

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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，從事地質災害防治與巖土力學研究.