圍巖LDP曲線影響因素及規律研究

趙 海 軍

(山東華科規劃建筑設計有限公司，山東 聊城 252000)

隨著巖石力學理論的不斷發展，基于彈塑性分析和流變分析的收斂約束方法在地下工程施工設計中獲得廣泛認可。收斂約束法的基本理論基礎是圓形洞室的彈塑性分析方法，而合理的圍巖LDP曲線則是采用收斂約束方法設計地下洞室的重要基礎。國內外很多學者均對LDP曲線展開過研究，Vlachopoulos等[1]采用二維有限元法，將塑性半徑作為影響掌子面空間效應的因素之一，得出了LDP擬合公式；張傳慶等[2]以Hoek經驗公式為基礎，基于現場圍巖監測收斂位移，研究了隧道開挖過程中前期損失位移和LDP曲線的求取方法。BASARIR等[3]研究了RMR分類(巖體地質力學分類)對理想彈塑性圍巖開挖面空間效應的影響；ABDEL-MEGUID等[4]考慮了巖體強度等對開挖引起的隧道位移及穩定性的影響。

本文在基于彈塑性分析的前提下，通過分析不同巖體強度下的LDP曲線特點以及圍巖應力狀態特征及規律，為地下洞室支護設計提供一定參考。

1 已有數值模擬解

Vlachopoulos等人研究發現圍巖塑性區對于圍巖縱剖面曲線具有較大影響，并提出不同塑性區RP與洞徑RT比值(R*=RP/RT)時LDP曲線[1]：

對于X*≤0情況:

(1)

對于X*>0情況:

(2)

其中:

2 數值建模

利用FLAC3D的自帶建模命令建立隧道三維計算模型，考慮到模型的對稱性，建立四分之一模型，如圖1所示。

該模型沿隧洞軸線方向(y向)長50 m、寬(x向)50 m、高(z向)50 m，隧洞直徑D為10 m，沿隧洞軸線方向網格長度為1 m(0.1D)。巖體屈服準則采用Mohr-Coloumb準則，巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

隧洞處于靜水應力場中，應力量值為24 MPa，在數值計算中，x,y向施加相應x,y向位移邊界限制，模型底面施加z向位移限制，頂部由于整個模型的平衡以及靜水應力場要求。

3 數值計算結果分析

3.1 內摩擦角影響

保持表1中各巖體參數賦值不變，只改變巖體內摩擦角大小，內摩擦角取值如圖2所示，得到不同內摩擦角下圍巖LDP曲線，見圖2。

由圖2可知，巖體強度屬性中的內摩擦角對于圍巖LDP曲線的影響較大，主要是內摩擦角直接影響巖體開挖后圍巖屈服范圍，進而在決定圍巖最終位移時對LDP曲線形態產生較為明顯的影響。

3.2 粘聚力影響

保持表1中巖體參數彈性模量、泊松比及剪脹角賦值不變，巖體內摩擦角設為26°，改變巖體粘聚力大小，粘聚力取值如圖3所示，得到不同粘聚力下的圍巖LDP曲線，見圖3。

由圖3可知，巖體強度屬性中巖體粘聚力對于圍巖LDP曲線的影響同樣較為明顯，主要是粘聚力和內摩擦角一樣將直接影響巖體開挖后圍巖屈服范圍，進而在決定圍巖最終位移時對LDP曲線形態產生和內摩擦角一樣顯著的影響。

4 結語

本文在已有圍巖縱剖面曲線數值模擬解的基礎上，利用數值仿真軟件，分析巖體強度對LDP曲線形態影響。保持巖體其他物理力學參數不變，改變巖體內摩擦角和粘聚力大小，可以看出隨巖體內摩擦角和粘聚力大小逐漸降低，圍巖LDP曲線的最終位移值在逐漸增加，主要原因是巖體內摩擦角和粘聚力直接對巖體的最終屈服范圍產生明顯影響，故而會對圍巖LDP曲線有著顯著影響，由此可見，基于彈性假設所推導的LDP曲線具有一定的缺陷，巖體強度是影響圍巖LDP曲線形態特征的重要因素。

參考文獻：

[1] Vlachopoulos N,Diederichs M S.Improved Longitudinal Displacement Profiles for Convergence Confinement Analysis of Deep Tunnels[J].Rock Mechanics & Rock Engineering,2009,42(2):131-146.

[2] 張傳慶,馮夏庭,周 輝,等.隧洞圍巖收斂損失位移的求取方法及應用[J].巖土力學,2009,30(4):997-1003.

[3] BASARIR H,GENIS M,OZARSLAN A.The analysis of radial displacements occurring near the face of a circular opening in weak rock masses[J].International Journalof Rock Mechanics and Mining Sciences,2010(47):771-783.

[4] ABDEL-MEGUID M,ROWE R K,Lo K Y.Threedimensional analysis of unlined tunnels in rock subjected to high horizontal stress[J].Canadian Geotechnical Journal,2003(40):1208-1224.