濕度場下膨脹巖巷道圍巖變形數值模擬分析

2022-05-25 06:54:48梁向東袁兆廷劉長紅歐陽保

四川建材 2022年5期

梁向東，袁兆廷，劉長紅，歐陽保

(中鐵二十四局集團南昌鐵路工程有限公司,江西南昌 330002)

0 前言

膨脹巖屬于軟巖，是指在水的物理、化學等作用下易于發生體積膨脹、強度軟化，整體性發生碎裂和分解的一種比較特殊的巖石[1]。對于巷道圍巖變形破壞規律現已有較多研究[2-3]，膨脹巖圍巖在高濕度環境下變形速度增快、延性增大。因此，在膨脹性巖體中開挖巷道、硐室時，在水的作用下圍巖易發生膨脹變形、強度降低等情況危害工程安全[4]。除膨脹巖自身所具有的脹縮、崩解和軟化等內在特性外[5]，圍巖的膨脹進一步會導致支護結構的變形，甚至產生彎矩。在加以施工擾動、圍巖應力和設計因素的共同影響所造成的工程事故為其外在因素。因此，在實際工程中選取合理的控制方法保障膨脹巖巷道施工安全具有重要意義[6-7]。文章以實際問題為研究點，在高濕環境且具有膨脹性巷道環境下，計算分析采用正交設計方案，并利用數值模擬研究圍巖膨脹性、襯砌等若干因素對巷道圍巖變形的影響。

1 正交數值模擬試驗

1.1 計算方案選取

本實驗選取正交試驗法進行數值模擬。主要針對圍巖巷道膨脹性、有無襯砌和埋深的影響，制定出數值模擬方案表見表1。

表1 數值模擬影響因素表

依靠相關條件吻合度及研究目的，并考慮相關因素及影響水平程度。通過混合水平正交試驗表確定如表2所示的具有代表性的數值模擬計算分析方案。通過系統地研究上述因素對膨脹巖巷道圍巖變形的影響，為工程實際提出合理建議。

表2 數值模擬試驗表

1.2 計算模型與參數

本實驗選取模型參數易獲取且較好模擬膨脹巖的變形特性，同時又適用于膨脹巖材料的D-P彈塑性本構模型。ABAQUS中D-P彈塑性本構模型模擬膨脹巖材料物理力學參數由前期試驗并將試驗數據和《膨脹巖與工程》對照綜合得出。依據表面浸潤和膨脹力試驗，并結合數值計算反演確定導熱系數λ和熱膨脹系數β。通過繆協興的濕度應力場的控制微分方程及基本原理，在利用有限元模擬軟件可將溫度場參數β，T轉化成濕度場參數α，W使用ABAQUS進行有限元計算，取α：β≈100，即設溫度T為0℃時對應含水量W為0，及膨脹巖處于干燥狀態，設溫度T為100℃時對應含水量W為1，及膨脹巖處于飽和含水狀態，T與W一一對應，并使溫度T每增加1℃對應濕度W增加1%。

1.3 ABAQUS建模

根據相似模型試驗，獲取濕度分布特性以及綜合考慮實際狀況下膨脹巖巷道中受施工用水與鑿巖積水等因素影響，繪制出含水量等值線圖，根據參數設定，利用ABAQUS軟件中的溫度單元模擬上述條件下的膨脹巖水分分布，最終獲得溫度分布云圖。

1.3.1 模型單元類型選擇和網格劃分

使用ABAQUS對圍巖進行二維建模，創建膨脹巖圍巖部件，在熱分析材料屬性值輸入密度、導熱系數、熱膨脹系數和比熱容等參數，分析步類型選擇“熱傳遞”，基本信息選擇“穩態熱分析”，單元類型為四邊形單元DC2D4，傳熱方式為四結點線性傳熱，對巷道兩側圍巖采用四結構化網絡劃分技術進行階梯狀均勻遞增劃分，對圍巖和中心巷道采用中性軸算法劃分網格，最終劃分出的單元總數為8 452個。

1.3.2 邊界條件選取

首先建立一個預定義場，選擇15℃為圍巖的初始溫度，通過有限元軟件換算即圍巖初始含水量為15%。在巷道中間正下方1m處的圍巖輸入35℃的熱源作為初始水源向周圍擴散，達到水分遷移效果，并在巷道頂部向上2.5m處施加邊界條件以阻隔熱量持續向周圍擴散，完成上述邊界條件的設定。根據本文依托的基金項目在前期展開試驗研究所發表的成果，施加的濕度場如圖1所示。

圖1 圍巖含水量等值線圖(單位：mm)

2 數值模擬試驗結果分析

2.1 膨脹性和襯砌對巷道圍巖變形的影響分析

通過對比計算方案Ⅰ與Ⅱ的結果，根據頂板沉降量Uy以及底板鼓起量Uf的大小，研究有支護結構條件下以及圍巖有無膨脹性條件下交叉的四種情形對巷道變形的影響；其計算結果如圖2～3所示。

圖2 底板鼓起變形量

圖3 頂板下沉變形量

由圖2～3知，在無膨脹性圍巖情形下的巷道，襯砌對限制巷道頂板及底板兩側變形有較明顯的抑制效果。由圖可以看出，在相同工況下，頂板的變形量均要大于底板的變形量，因此，在實際工程中要加強對頂板的沉降監測，以保證施工安全，無襯砌頂板變形最大值出現在靠近邊墻兩側附近；對于膨脹性巷道而言，襯砌結構可以將無支護的圍巖底板鼓起量和頂板下沉量分別減少149mm和28mm。可見襯砌對頂板下沉的抑制作用比較大，同時襯砌相比膨脹巖具有更好地抑制圍巖變形的效果，同時也說明膨脹性對巷道開挖的危害較大。

2.2 埋深對圍巖變形的影響分析

本研究通過對頂板和底板兩個位置的變形情況為例探究在膨脹性巷道中埋深對圍巖變形的影響。對方案III-VI的數值模擬計算結果如圖4～7所示。

由圖4～5可知，在該斷面形式和地應力條件下的巷道，在底板有膨脹性變形中兩側凸起均比無膨脹性較嚴重，底板鼓起量隨著埋深的增加而逐漸增加。由圖6～7可知，頂板的兩側凸起規律與底板相反，呈現出從中間向兩側變形量逐漸遞減的規律，其底板變形也是隨著埋深的增加而增加。對于無膨脹性巷道而言，相同埋深下底板和頂板變形量相差不大，其底板鼓起量和頂板下沉量的規律是隨著埋深每增加25m而增加約8mm。而在有膨脹性巷道中，相同埋深下頂板的變形比底板大，底板下沉量是隨著埋深每增加25m而增加23mm,而底板鼓起量趨勢等梯度埋深逐漸增大，并且底部靠近兩幫附近變形量表現最為突出，可見膨脹性對頂板下沉量和底鼓起量的影響較大。