不同節(jié)理傾角下圍巖最大主應(yīng)力變化規(guī)律

李 艷

（深圳市水務(wù)工程檢測有限公司,廣東 深圳 518110）

1 引言

隨著地下工程的不斷發(fā)展,關(guān)于圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)越來越受關(guān)注,而層狀巖體是在工程中分布較為廣泛的一種情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知,在地下圍巖中層狀的巖體占比達(dá)到66%,其中我國含層狀節(jié)理的巖體比例高達(dá)77%[1]。由上可知,在地下工程施工過程中極易遭遇由于不同地質(zhì)構(gòu)造而形成的層狀巖體[2]。而大量的工程案例表明,在這些由于地質(zhì)構(gòu)造而形成的層狀巖體中進(jìn)行地下工程開挖會(huì)導(dǎo)致地下洞室發(fā)生局部坍塌等工程災(zāi)害[3]。

為分析由于地質(zhì)構(gòu)造而形成的層狀巖體的物理力學(xué)性質(zhì),確保地下工程圍巖的穩(wěn)定性與安全性,國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)層狀巖體的物理力學(xué)性質(zhì)開展了大量的研究[4]。周曉軍等[5]開展了室內(nèi)物理模型試驗(yàn),研究了在層理面影響下圍巖以及二次襯砌的受力狀態(tài)。馬騰飛等[6]采用三維室內(nèi)模型試驗(yàn),得到了深埋地下工程在含層狀節(jié)理開挖過程中圍巖的破壞機(jī)制。Zhang Zhizhen 等[7]通過理論分析求解出了不同層理傾角下開挖斷面的彈性應(yīng)力解。余東明等基于理論公式推導(dǎo)出了在含層狀節(jié)理?xiàng)l件下圓形深埋地下洞室的彈塑性解。ManhVu等[8]提出了在各相異性條件下非線彈性圍巖中開挖狀態(tài)下的解析解,并得到了在圍巖層理面與地下洞室軸線垂直的條件下,中間主應(yīng)力對(duì)應(yīng)力場的影響。徐國文等[9]通過數(shù)值模擬方法研究了層狀千枚巖地層開挖過程中隧道圍巖的穩(wěn)定性。譚鑫等[10]采用RFPA（巖石破裂過程分析）軟件,研究了不同傾角下層狀結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖的變形,應(yīng)力以及破壞特征,并認(rèn)為層狀結(jié)構(gòu)面傾角越大,對(duì)邊墻的受力越不利。

本文將以某引水隧洞為工程背景,采用三維離散元計(jì)算軟件3DEC,模擬并研究不同節(jié)理傾角下（0°、30°、60°和90°）地下工程開挖過程中圍巖的最大應(yīng)力場變化規(guī)律。

2 工程概況與參數(shù)選取

2.1 工程概況

本文以某引水隧洞為工程背景,隧洞凈寬設(shè)計(jì)為10.40 m,凈高設(shè)計(jì)為7.00 m,長為1522.00 m,其中最大埋深為213.00 m。隧道穿越地層的巖性主要為三疊系的變質(zhì)板巖,其板巖與節(jié)理的力學(xué)性質(zhì)見表1和表2。

表1 板巖力學(xué)參數(shù)的選取

表2 板巖結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)的選取

2.2 三維離散元計(jì)算模型的設(shè)置

由于三維離散元軟件是從塊體的接觸入手,建立接觸的物理力學(xué)模型,在數(shù)值計(jì)算過程中,求解各接觸的物理力學(xué)狀態(tài),將塊體視為可相互移動(dòng)的離散性塊體,在數(shù)值計(jì)算過程中可允許單元體發(fā)生平移與轉(zhuǎn)動(dòng)[11]。因而相較于有限元計(jì)算方法,三維離散元軟件特別適用于裂隙巖體、節(jié)理巖體等數(shù)值求解問題。在本文的數(shù)值模擬計(jì)算過程中,不考慮地下洞室的支護(hù)條件,僅僅考慮毛洞的圍巖穩(wěn)定性,在數(shù)值計(jì)算過程中采用全斷面開挖。同時(shí)為了考慮尺寸效應(yīng),在建模過程中,基于圣維南定理,建立40 m×1 m×40 m 的立方塊體。考慮到構(gòu)造應(yīng)力的影響,取計(jì)算側(cè)壓力系數(shù)為1.0,考慮到工程最不利影響,在計(jì)算過程中取最大埋深為213 m。由現(xiàn)場原位測試得到其最大主應(yīng)力為25 MPa,最小主應(yīng)力為12 MPa。為了真實(shí)模擬實(shí)際工況,最大、最小主應(yīng)力以均布荷載施加到模型邊界,其邊界條件設(shè)為,上邊界為應(yīng)力邊界,其余邊界均為固定邊界。由于海子山隧道圍巖層狀節(jié)理分布較為復(fù)雜,因此,本文研究了地下工程圍巖在不同層理傾角下（0°、30°、60°和90°）的圍巖最大主應(yīng)力分布狀況。

3 不同傾角下圍巖最大主應(yīng)力模擬結(jié)果分析

地下隧洞在開挖過程后,在應(yīng)力調(diào)整過程中,極易導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力集中程度達(dá)到巖石的極限承載力時(shí),會(huì)導(dǎo)致圍巖發(fā)生斷裂、彈射以至失穩(wěn)。而應(yīng)力集中現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致圍巖最大主應(yīng)力發(fā)生突變,因此研究地下工程在開挖后應(yīng)力調(diào)整過程中最大主應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)揭示圍巖穩(wěn)定狀態(tài)、破壞機(jī)制具有重要的工程意義。而在圍巖含層狀節(jié)理時(shí)主應(yīng)力過大極易導(dǎo)致圍壓發(fā)生大規(guī)模的錯(cuò)動(dòng)滑移等地下工程災(zāi)害,因此了解層狀節(jié)理在開挖后的應(yīng)力分布狀況對(duì)地下工程圍巖穩(wěn)定性的控制具有重要的意義。

為此,本文模擬不同層理傾角下地下工程在開挖后應(yīng)力調(diào)整過程中的最大主應(yīng)力變化規(guī)律。其中圖1為不同層理傾角分別為0°、30°、60°和90°時(shí)隧道圍巖的最大主應(yīng)力云圖。

圖1 不同層理傾角下圍巖最大主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖1為不同層理傾角下圍巖開挖后應(yīng)力調(diào)整過程中的最大主應(yīng)力云圖。由圖1（a）可以看出,當(dāng)層狀節(jié)理傾角為0°時(shí),隧道拱頂與拱頂處所受的拉應(yīng)力較小,表明由于開挖作用,隧道圍巖發(fā)生了應(yīng)力釋放現(xiàn)象,但在隧道邊墻附近處出現(xiàn)了較大的壓應(yīng)力,其壓應(yīng)力為42.9 MPa；由圖1（b）可以看出,當(dāng)層狀節(jié)理傾角為30°時(shí),隧道周圍均出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)域,且在拱底處受拉區(qū)面積較大,在隧道邊墻附近出現(xiàn)最大拉應(yīng)力45.7 MPa 與42.5 MPa；由圖1（c）可知,當(dāng)層狀節(jié)理傾角為60°時(shí),隧道圍巖應(yīng)力釋放區(qū)域面積較大,在隧道右拱腳處出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力54.3 MPa；由圖1（d）可以看出,當(dāng)層狀節(jié)理傾角為90°時(shí),隧道輪廓面附近所受的拉應(yīng)力為0.26 MPa,在隧道拱頂正上方與拱底正下方出現(xiàn)了拉應(yīng)力釋放帶,而隧道左右邊墻附近所受的拉應(yīng)力為33.15 MPa。

在節(jié)理傾角為0°與90°時(shí),圍巖的應(yīng)力云圖左右對(duì)稱,表明此時(shí)隧道受力無偏壓現(xiàn)象。而當(dāng)層理傾角為30°與60°時(shí),圍巖最大主應(yīng)力的偏壓現(xiàn)象最為顯著,偏壓的出現(xiàn)導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,使得圍巖的加固處理更為復(fù)雜。其中,當(dāng)層狀節(jié)理傾角為30°時(shí),圍巖甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力,這表明這部分圍巖出現(xiàn)三向受拉狀態(tài),而巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度,因此這部分圍巖極易發(fā)生破裂,最終導(dǎo)致地下工程圍巖在應(yīng)力調(diào)整過程中出現(xiàn)宏觀裂隙,甚至出現(xiàn)大規(guī)模破壞、坍塌等現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文以某引水隧洞為依托背景,采用3 DEC 軟件對(duì)不同層狀節(jié)理傾角（0°、30°、60°和90°）下公路隧道圍巖開挖后應(yīng)力調(diào)整過程中的最大主應(yīng)力場變化規(guī)律進(jìn)行了研究,得到了如下結(jié)論：

（1）當(dāng)層狀節(jié)理傾角為0°時(shí),隧道拱頂與拱頂處所受的拉應(yīng)力較小,表明由于開挖作用,隧道圍巖發(fā)生了應(yīng)力釋放現(xiàn)象。

（2）當(dāng)層狀節(jié)理傾角為30°時(shí),圍巖最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力,這表明這部分圍巖出現(xiàn)三向受拉狀態(tài),而巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度,因此這部分圍巖極易發(fā)生破裂,最終導(dǎo)致地下工程圍巖在應(yīng)力調(diào)整過程中出現(xiàn)宏觀裂隙,甚至出現(xiàn)大規(guī)模破壞、坍塌等現(xiàn)象。

（3）當(dāng)層狀節(jié)理傾角為90°時(shí),隧道輪廓面附近所受的拉應(yīng)力為0.26 MPa,在隧道拱頂正上方與拱底正下方出現(xiàn)了拉應(yīng)力釋放帶。