基于加载与卸荷理论的某地下厂房围岩变形稳定分析对比研究

程 壮 董艳华 党 莉 宛良朋

（1.三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌 443002；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北宜昌 443002）

在水电建设中，常常需要开挖边坡和地下洞室，对于边坡，其力学条件主要表现为卸载，对于地下洞室，在径向表现为卸载，切向表现为加载，与一般的加载力学条件不同［1－2］.采用常规的加载岩体力学方法对上述工程进行计算分析时，研究成果与实际的监测成果有较大差异.岩体在未受到扰动时，处于平衡状态，当岩体开挖后，岩体将发生应力重新调整，形成二次应力场，岩体将产生卸荷.理论和室内试验证明［1－4］，开挖卸荷理论能更真实地反映岩体在开挖过程中岩体的力学本质和变形机制.鉴此，本文以某水电站地下厂房开挖为例，采用有限元单元法，分别应用加载与卸荷理论对地下厂在自然工况、开挖、卸荷和加固工况下的变形进行了计算分析，并与监测结果进行了对比.经比较可知，应用卸荷岩体力学理论对地下厂房进行分析研究更加符合实际.

1 开挖卸荷模拟

在数值分析中，卸荷问题分2步进行：第1步，求解卸荷前的应力应变场（初始应力应变场），第2步，计算卸荷应力（可以看作一种拉应力）作用下的应力应变场.这样，卸荷后的应力应变场就可以看成这两个应力应变场的叠加［5］.如图1所示.

图1 卸荷应力分解图

式中，σi和ui分别为第i次卸荷后的应力场和变形场；σΔi和uΔi分别表示第i次卸荷应力作用下的应力场和变形场.

2 工程概况

2.1 工程地质条件

厂区枢纽工程所在地区出露地层为中三迭统盐塘组地层.地下厂房置于微风化状的灰绿色条带状云母大理岩和灰黑色中厚层细晶大理岩之中.岩石均为微风化状，岩体完整性以一般为主，局部较完整或较破碎～破碎.断裂内充填物多为碎裂岩、角砾岩或岩片、岩屑，部分存在断层泥及次生黄泥，主要以岩块岩屑型和岩块岩屑夹泥型为主.地下主厂房区无Ⅰ、Ⅴ类围岩，主要以Ⅲ类围岩为主，占总洞长的83.5%；部分为Ⅱ类围岩，占14.1%；少量为Ⅳ类围岩，占总洞长的2.4%.厂房围岩基本稳定，局部稳定性较差，但经支护处理后，可以满足建造大型地下洞室的地质条件.

2.2 地层材料与加固方案

厂右0＋108.5（3－3剖面）断面围岩体地层图见图2，模型的上边界线为地面线，两侧边界与山体相连.为了减小开挖后岩体变形，保证围岩体的稳定性，施工中采用了锚杆支护和锚索加固的方案，图3为岩体支护剖面图.

3 有限元数值计算分析

3.1 计算模型

由于洞室轴向尺寸相对于其截面尺寸大得多，计算中可以看作平面应变问题处理.对3－3剖面，根据剖面地层图建立二维有限元计算模型，采用四边形和三角形网格，单元组58个，共计单元18 773个，节点18 609个.选用 Mohr－Coulomb弹塑性材料.模型单元分区图如图4所示.

图4 模型单元分区图

3.2 计算工况

分别应用加载力学原理和卸荷力学原理进行了有限元数值计算.运用加载原理计算时，不考虑开挖卸荷对岩体力学参数的影响，分自然工况，开挖工况和加固工况；基于卸荷原理计算分自然工况，开挖工况，卸荷工况和加固工况.

1）自然工况，计算洞室在开挖之前的初始应力应变场.

2）开挖工况，根据地下厂房开挖顺序，采用加载岩体力学参数，模拟地下厂房每一级开挖施工.

3）卸荷工况，基于卸荷力学原理计算时，在每一级开挖中，为模拟岩体开挖卸荷导致的质量劣化、材料参数降低等岩体损伤，计算中采用卸荷岩体力学参数.

4）加固工况，在开挖工况或卸荷工况的基础上，为模拟岩体开挖加固的效果，应用等效参数模拟锚杆加固效应，用Truss单元模拟预应力锚索.

3.3 计算参数

3.3.1 基于加载理论计算参数

基于加载理论进行计算时，不考虑卸荷对岩体质量的影响，选取的初始力学参数见表1.

表1 初始力学参数

3.3.2 基于卸荷理论计算参数

根据厂址的地质勘测资料，确定在洞室开挖中，距洞室开挖面3m和6m范围内围岩体分别为强卸荷区和弱卸荷区［2］，卸荷分区见图5，卸荷区参数见表2.

表2 卸荷区岩体参数

图5 剖面卸荷区分布图

3.4 计算结果分析

1）分别采用加载力学原理与卸荷力学原理对地下厂房的施工过程进行了模拟，取出各级开挖加固工况位移计算值进行比较，并与位移监测值进行对比.限于篇幅，仅选取多点位移计Mcf＋108.5－1的4个测点C1，C2，C3和C4的位移进行比较.剖面的监测点布置图见图6.测点的位移对比图见图7～10.

图6 剖面位移监测布置示意图

由图7～10可知，基于两种不同的力学原理计算的测点位移变化趋势与位移监测值变化趋势基本一致，相比之下采用卸荷原理计算出的位移值与监测值更符合.计算值与监测值相比偏小，这可能与未考虑地应力及渗流作用有关.

2）采用两种不同力学原理研究地下厂房开挖，加固过程.图11～14为主变洞一级开挖后塑性区分布情况图.其中图11为基于加载原理计算的塑性区图；图12～14分别为基于卸荷原理计算的卸荷工况，锚杆加固工况和锚索加固工况塑性区图.从塑性区的演化规律可以看出，卸荷理论考虑了岩体开挖卸荷后岩体质量的劣化，计算出的塑性区要比加载力学理论计算出的大些..分别比较了采用锚杆加固和锚索加固后的塑性区范围，说明锚索加固效果较好.

4 结 语

建立二维有限元模型，分别运用加载岩体力学理论与卸荷岩体力学理论研究了地下厂房在施工过程中围岩的位移和塑性区演化特性，并将位移计算值与监测值进行了比较，结果表明：1）基于卸荷岩体力学理论研究地下厂房开挖围岩的变形问题，比加载岩体力学理论更接近监测值.2）卸荷岩体力学理论考虑到了地下厂房开挖围岩质量劣化的影响，计算的塑性区要大于常规加载力学方法，更加接近工程实际.3）设计采用锚索加固的方案，有效地控制了塑性区的扩展，发挥了较好的加固效果.

［1］ 李建林.卸荷岩体力学理论与应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999.

［2］ 哈秋聆，李建林，张永兴，等.节理岩体卸荷非线性岩体力学［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.

［3］ 张黎明，王在泉，王建新.岩石卸荷破坏试验研究［J］.四川大学学报，2006，38（3）：34－37.

［4］ 赵二平，李建林.卸荷区岩体屈服准则［J］.武汉大学学报：工学版，2011，44（2）：221－225.

［5］ 李建林.卸荷岩体力学［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.