不同节理倾角下围岩最大主应力变化规律

李 艳

（深圳市水务工程检测有限公司,广东 深圳 518110）

1 引言

随着地下工程的不断发展,关于围岩的物理力学性质的研究已经越来越受关注,而层状岩体是在工程中分布较为广泛的一种情况。根据统计可知,在地下围岩中层状的岩体占比达到66%,其中我国含层状节理的岩体比例高达77%[1]。由上可知,在地下工程施工过程中极易遭遇由于不同地质构造而形成的层状岩体[2]。而大量的工程案例表明,在这些由于地质构造而形成的层状岩体中进行地下工程开挖会导致地下洞室发生局部坍塌等工程灾害[3]。

为分析由于地质构造而形成的层状岩体的物理力学性质,确保地下工程围岩的稳定性与安全性,国内外众多学者对层状岩体的物理力学性质开展了大量的研究[4]。周晓军等[5]开展了室内物理模型试验,研究了在层理面影响下围岩以及二次衬砌的受力状态。马腾飞等[6]采用三维室内模型试验,得到了深埋地下工程在含层状节理开挖过程中围岩的破坏机制。Zhang Zhizhen 等[7]通过理论分析求解出了不同层理倾角下开挖断面的弹性应力解。余东明等基于理论公式推导出了在含层状节理条件下圆形深埋地下洞室的弹塑性解。ManhVu等[8]提出了在各相异性条件下非线弹性围岩中开挖状态下的解析解,并得到了在围岩层理面与地下洞室轴线垂直的条件下,中间主应力对应力场的影响。徐国文等[9]通过数值模拟方法研究了层状千枚岩地层开挖过程中隧道围岩的稳定性。谭鑫等[10]采用RFPA（岩石破裂过程分析）软件,研究了不同倾角下层状结构面对围岩的变形,应力以及破坏特征,并认为层状结构面倾角越大,对边墙的受力越不利。

本文将以某引水隧洞为工程背景,采用三维离散元计算软件3DEC,模拟并研究不同节理倾角下（0°、30°、60°和90°）地下工程开挖过程中围岩的最大应力场变化规律。

2 工程概况与参数选取

2.1 工程概况

本文以某引水隧洞为工程背景,隧洞净宽设计为10.40 m,净高设计为7.00 m,长为1522.00 m,其中最大埋深为213.00 m。隧道穿越地层的岩性主要为三叠系的变质板岩,其板岩与节理的力学性质见表1和表2。

表1 板岩力学参数的选取

表2 板岩结构面力学参数的选取

2.2 三维离散元计算模型的设置

由于三维离散元软件是从块体的接触入手,建立接触的物理力学模型,在数值计算过程中,求解各接触的物理力学状态,将块体视为可相互移动的离散性块体,在数值计算过程中可允许单元体发生平移与转动[11]。因而相较于有限元计算方法,三维离散元软件特别适用于裂隙岩体、节理岩体等数值求解问题。在本文的数值模拟计算过程中,不考虑地下洞室的支护条件,仅仅考虑毛洞的围岩稳定性,在数值计算过程中采用全断面开挖。同时为了考虑尺寸效应,在建模过程中,基于圣维南定理,建立40 m×1 m×40 m 的立方块体。考虑到构造应力的影响,取计算侧压力系数为1.0,考虑到工程最不利影响,在计算过程中取最大埋深为213 m。由现场原位测试得到其最大主应力为25 MPa,最小主应力为12 MPa。为了真实模拟实际工况,最大、最小主应力以均布荷载施加到模型边界,其边界条件设为,上边界为应力边界,其余边界均为固定边界。由于海子山隧道围岩层状节理分布较为复杂,因此,本文研究了地下工程围岩在不同层理倾角下（0°、30°、60°和90°）的围岩最大主应力分布状况。

3 不同倾角下围岩最大主应力模拟结果分析

地下隧洞在开挖过程后,在应力调整过程中,极易导致应力集中现象。当应力集中程度达到岩石的极限承载力时,会导致围岩发生断裂、弹射以至失稳。而应力集中现象会导致围岩最大主应力发生突变,因此研究地下工程在开挖后应力调整过程中最大主应力分布规律对揭示围岩稳定状态、破坏机制具有重要的工程意义。而在围岩含层状节理时主应力过大极易导致围压发生大规模的错动滑移等地下工程灾害,因此了解层状节理在开挖后的应力分布状况对地下工程围岩稳定性的控制具有重要的意义。

为此,本文模拟不同层理倾角下地下工程在开挖后应力调整过程中的最大主应力变化规律。其中图1为不同层理倾角分别为0°、30°、60°和90°时隧道围岩的最大主应力云图。

图1 不同层理倾角下围岩最大主应力云图（单位：Pa）

图1为不同层理倾角下围岩开挖后应力调整过程中的最大主应力云图。由图1（a）可以看出,当层状节理倾角为0°时,隧道拱顶与拱顶处所受的拉应力较小,表明由于开挖作用,隧道围岩发生了应力释放现象,但在隧道边墙附近处出现了较大的压应力,其压应力为42.9 MPa；由图1（b）可以看出,当层状节理倾角为30°时,隧道周围均出现了拉应力区域,且在拱底处受拉区面积较大,在隧道边墙附近出现最大拉应力45.7 MPa 与42.5 MPa；由图1（c）可知,当层状节理倾角为60°时,隧道围岩应力释放区域面积较大,在隧道右拱脚处出现了较大的拉应力54.3 MPa；由图1（d）可以看出,当层状节理倾角为90°时,隧道轮廓面附近所受的拉应力为0.26 MPa,在隧道拱顶正上方与拱底正下方出现了拉应力释放带,而隧道左右边墙附近所受的拉应力为33.15 MPa。

在节理倾角为0°与90°时,围岩的应力云图左右对称,表明此时隧道受力无偏压现象。而当层理倾角为30°与60°时,围岩最大主应力的偏压现象最为显著,偏压的出现导致围岩出现局部应力集中现象,使得围岩的加固处理更为复杂。其中,当层状节理倾角为30°时,围岩甚至出现拉应力,这表明这部分围岩出现三向受拉状态,而岩石的抗拉强度远小于其抗压强度,因此这部分围岩极易发生破裂,最终导致地下工程围岩在应力调整过程中出现宏观裂隙,甚至出现大规模破坏、坍塌等现象。

4 结论

本文以某引水隧洞为依托背景,采用3 DEC 软件对不同层状节理倾角（0°、30°、60°和90°）下公路隧道围岩开挖后应力调整过程中的最大主应力场变化规律进行了研究,得到了如下结论：

（1）当层状节理倾角为0°时,隧道拱顶与拱顶处所受的拉应力较小,表明由于开挖作用,隧道围岩发生了应力释放现象。

（2）当层状节理倾角为30°时,围岩最大主应力为拉应力,这表明这部分围岩出现三向受拉状态,而岩石的抗拉强度远小于其抗压强度,因此这部分围岩极易发生破裂,最终导致地下工程围岩在应力调整过程中出现宏观裂隙,甚至出现大规模破坏、坍塌等现象。

（3）当层状节理倾角为90°时,隧道轮廓面附近所受的拉应力为0.26 MPa,在隧道拱顶正上方与拱底正下方出现了拉应力释放带。