基于PFC3D的某TBM隧洞岩石单轴抗压强度研究

2022-06-01栗献锋

水电与新能源 2022年5期

栗献锋

(山西中部引黄工程建设管理有限公司，山西太原 030025)

岩石是广泛存在于自然界的复杂地质体，因其复杂的内部结构与非均一的性质，导致影响其强度的参数众多。岩石是岩土工程领域接触最多的对象之一，在施工过程中其强度难以把握，同时岩石的强度又是指导施工的重要参数，所以对于岩石强度的探讨一直是研究重点。赵云川等对岩石力学行为与尺度的关系进行了研究，建立了尺寸效应与强度关系的理想模型[1]。丁自伟等对砂岩的孔隙性质与强度的关系进行了研究，得到了孔隙导通与否是影响强度的重要因素[2]。

为研究岩石强度，本文从室内实验出发，依托山西中部引黄工程TBM 2标，开展单轴压缩试验获取岩块强度参数。依托室内试验结果开展单轴压缩数值实验，建立室内压缩实验参数与数值压缩试验参数关系，上述研究对于实际工程中采用数值模拟研究岩石强度有重要的参考价值。

1 岩石室内压缩试验方法

本文在山西中部引黄工程TBM 2标隧洞进行了采样工作，该工程TBM 2标段隧洞是目前山西在建的最长输水隧洞之一，主要施工内容包括：总干TBM施工段、TBM进洞支洞施工段、25号支洞(TBM通风支洞)、26号支洞(临县分水口交通)。项目划为1个单位工程，21个分部工程，1 662个单元工程。采样岩石为施工过程中广泛揭露的花岗岩，采样深度大于50 m，岩石新鲜裂隙发育较少。岩石定名为斑状花岗岩，具有似斑状结构，斑晶主要为长石，粒径在5～10 mm之间，基质为显晶质，主要为石英与云母，粒径在0.5～3 mm之间。主要有石英、长石和云母组成，属于斑状结构。采样后进行岩石切割与打磨，试样的制备严格按照规范的要求制作，依据实验标准规定[3]，标准圆柱试样直径50 mm，高径比为2，在切割过程中需要满足以下要求：①在整个试样高度上，直径误差不超过0.30 mm；②两端面的不平行度，不超过0.05 mm；③端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25°，切割后的标准试样如图1所示。

图1 岩石试样图

岩石压缩试验采用MTS-816电液伺服岩石试验系统进行，系统可以在压缩过程中记录当前应力与应变值的大小。测试方法：放入试块，加载0.1 MPa压力用以固定试块，轴向加载采用轴向应变控制方式，恒定加载速率1.0 MPa，直至试样破坏后停止实验。实验过程及加载后破坏试样如图2所示。由实验得到岩石单轴抗压强度为107 MPa，弹性模量为7.63 GPa。对岩石破坏后的裂纹进行分析，主要存在的为竖向裂纹，掉块边缘几乎与圆柱形试块轴线平行。

图2 岩石压缩试验图

2 颗粒流(PFC3D)程序模拟

颗粒流分析法通常把离散介质看作为颗粒单元的集合体，每个颗粒单元独立运动，单元之间相互接触、相互作用。

图3 岩石数值模型图

表1 岩石数值模型宏细观参数表

E=1.9E*(R2=0.99)

(1)

(2)

其中，R2为拟和优度。

3 TBM隧洞岩石强度模拟现场应用论证

本文基于山西引黄隧洞工程TBM2标采样岩石进行了关于强度和弹性模量的物理实验与数值实验工作，将宏观物理力学参数与PFC3D数值实验细观参数结合，得出了细观参数标定方法，误差控制在5%内，完全满足现场关于岩石强度的应用需求。在现场应用过程中通过一组物理实验获取了力学性质的条件下，可以完成小区域内同种岩石的数值建模与压缩试验，分析岩石变形趋势与破裂状态，应用于TBM的开挖参数调整和隧洞灾害预报。