基于颗粒流的硐室开挖围岩变形特性研究

2022-06-20冷国杰杨安玉

小水电 2022年3期

宋彧，冷国杰，杨安玉

(1.浙江国贸集团东方机电工程股份有限公司，浙江杭州 310000;2.水利部农村电气化研究所，浙江杭州 310012)

0 引言

随着经济社会发展，地下空间越来越受到重视，硐室开挖工程十分普遍，但其过程却十分复杂[1]。采用数值模拟对硐室开挖行为进行研究是经济合理的一种手段，目前分析方法主要有有限元法、有限差分法等，但它们都基于连续介质理论，主要用来解决小变形情况，难以解决硐室开挖这种大变形问题[2]。此外，连续介质理论中，所有岩石材料被视为理想的均质、各项同性连续材料，这也与实际情况存在很大差异。这些因素都影响了基于连续介质理论的数值模拟方法的准确性。

实际情况中，岩石材料都是由不连续的固体颗粒组成。岩石材料的大变形是由于颗粒与颗粒之间相对位移发生变化。本文采用能够解决固体力学大变形问题的运用颗粒流程序PFC2D[3]对硐室开挖问题进行了模拟分析，实现硐室开挖的非连续性介质模拟。

1 模型建立及初始化

Bazant和Chen[4]研究指出：研究对象的宏观尺寸可以与其他力学或物理特征量耦合成为一个无量纲控制参量，或者研究对象不再服从几何相似律。室内小型试验的结果也无法简单的推广到大型工程原型[5]。针对颗粒材料的多尺度结构特征，应该采用多尺度方法进行研究[6]，其中，岩土力学的研究尺度通常分为宏观、细观和微观三个层次[7]。文献[5_6]指出在数值试验中内尺度比可取10-3量级，处于经典力学内尺度比范围10-5～10-1之内。根据硐室开挖模型尺寸，颗粒半径取为10-4m量级，这样既克服了计算机容量和速度的限制，又满足了计算精度的要求。

本文建立算例，对实际几何尺度下均质岩体中硐室开挖过程进行颗粒流模拟(见表1)。

表1 颗粒流模型尺寸及参数

生成模型如下所示(见图1)，初始未开挖模型颗粒数为25 887个，底面和两侧采用刚性墙模拟，顶部为自由面。为了监测内部应力变化，在模型中布置了16个半径2 m的测量圆，用于监测计算全过程测量圆区域内的宏观力学参数。模型在自重应力作用下运行(SOLVE命令)到平衡状态，形成初始应力场，并对颗粒速度和位移进行清零。初始应力下颗粒间接触力如下所示(见图1)。

(a)开挖前原始模型 (b)模型初始地应力下颗粒间接触力分布

2 硐室开挖计算结果及分析

对已形成初始应力场的模型进行开挖，本次模拟采用一次开挖成硐，硐室半径为5 m。对模型进行开挖(即删除硐室区域颗粒)，开挖后颗粒数为25 064个，开挖后模型及测量圆位置、编号如下所示(见图2)。

图2 硐室开挖颗粒流模型(单位：m)

在自重作用下，模型应力场重分布，颗粒发生移动，微裂纹产生并逐步发展，形成围岩损伤区。

2.1 应力场计算结果及分析

通过history命令可以监测各测量圆内应力变化状况，由于监测所得应力为测量圆内所有颗粒应力平均值，与常规应力定义并不一致，因此仅对测量圆内监测所得应力进行定性分析。其中，6、7、10、11号测量圆分布于硐室附近，受开挖影响更为明显；根据监测结果，6、7、10、11号测量圆内应力变化状况如下所示(见图3)。由图3可知，随时步增加，应力变化幅度较大，表达硐室开挖会引起应力重分布，对于硐室附近围岩应力影响较大。同时，测量圆内应力随开挖时步逐渐减小，表明开挖后随岩体内部应力的释放，硐室附近应力显著减小。

(a)测量圆6 (b)测量圆7

2.2 位移场计算结果及分析

开挖过程各时步的位移如下所示(见图4)，通过位移矢量图能够直观清晰地观察到整个硐室开挖的动态过程。

硐室开挖之后，围岩应力重新分布，出现应力集中区。当局部拉应力超过颗粒间接触强度，颗粒粘结发生断裂，岩体发生松动出现围岩松动圈。由图4可知，围岩松动主要发生在硐周围压区域，随时步的增加，该区域颗粒松动趋于明显。由内向外，颗粒位移逐渐减小，表明硐室开挖过程中，对于距离硐室壁较远的岩体不会产生明显的扰动现象。

如图4，时步为120步时，有少量颗粒开始发生脱离，随着时步的增加，颗粒脱离现象趋于明显。剔除脱离颗粒，时步为60步时，最大位移为8.404 m；时步为180步时，最大位移为18.72 cm；平衡步时，最大位移为17.60 m。