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，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，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。依托室內試驗結果開展單軸壓縮數值實驗，建立室內壓縮實驗參數與數值壓縮試驗參數關系，上述研究對于實際工程中采用數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范的要求制作，依據實驗標準規定[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進行，系統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 巖石數值模型圖

表1 巖石數值模型宏細觀參數表

E=1.9E*(R2=0.99)

(1)

(2)

其中，R2為擬和優度。

3 TBM隧洞巖石強度模擬現場應用論證

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值實驗工作，將宏觀物理力學參數與PFC3D數值實驗細觀參數結合，得出了細觀參數標定方法，誤差控制在5%內，完全滿足現場關于巖石強度的應用需求。在現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，可以完成小區域內同種巖石的數值建模與壓縮試驗，分析巖石變形趨勢與破裂狀態，應用于TBM的開挖參數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E*與其對應宏觀參數E的一次函數系數為1.9。