考虑应变软化和剪胀特性的软岩洞室稳定性分析

王家兴，李晓龙，谢 琨，申玉松

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

考虑应变软化和剪胀特性的软岩洞室稳定性分析

王家兴，李晓龙，谢 琨，申玉松

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

岩土材料的复杂性使得人们无法采用统一的本构模型来表达其在外力作用下的力学响应特性.无数试验和实际工程表明，莫尔—库仑准则能较好地拟合试验结果和可靠地应用于岩土工程实践.数值模拟可充分发挥主观能动性，采用考虑应变软化和剪胀特性的莫尔—库仑模型进行软岩隧洞的稳定性模拟，以达到更精确地对工程实例进行数值模拟分析的目的.

应变软化;剪胀性;软岩洞室;数值模拟

0 引言

近年来，西部重大工程的相继启动带动了大量深埋长大隧洞工程的建设.我国西部地区地质环境复杂，大埋深软岩隧道开挖以后，围岩破坏必先从洞壁开始.围岩在破坏过程中，因其内部裂纹不断扩展和张开而呈现剪胀破坏.与此同时，剪胀破坏致使围岩强度降低从而进一步引起围岩应力场发生改变，使隧道产生变形.因此，分析高应力条件下软岩隧道稳定性时，需考虑围岩剪胀效应［1］及应变软化效应［2］.

1 软岩的本构关系

大量的理论及实践证明:莫尔—库仑准则是描述岩土材料剪切破坏行为最简单、最适用的准则.该准则适用于软岩在高应力作用下的围岩塑性剪切流动力学行为描述.

软岩的全应力—应变实验表明［3－6］，当岩体强度达到其极限强度后，岩体变形进入塑性软化阶段，岩体自身的强度随着应变的增大逐渐衰减，直至残余强度［7］，具体如图1所示.

图1 软岩抗剪参数软化示意图

对于隧道围岩来说，在弹塑性区边界上岩体处于弹塑性的临界状态，该处岩体尚未产生裂纹和塑性软化，所以，岩体的塑性软化强度与极限抗压强度相同.随着半径的减小，岩体的变形破坏越来越严重，岩体的自身强度也逐渐减小.在隧道周边，围岩的应变值最大，其己经破坏的岩体塑性软化强度就是岩体的残余强度.

剪胀角Ψ是用来表示材料在剪切过程中体积变化率的一个物理量，Ψ是剪切位移方向与剪应力方向的平均夹角，如图2所示.通常，剪胀角并非常数，而是一个变量，与围压及孔隙比(或密实度)有关，并随应力应变曲线而变化［8］.剪胀角Ψ随着剪切应变的增加，Ψ先增加后减少.

图2 软岩的剪胀角

2 软岩洞室稳定性数值模拟

2.1 模型及参数

基于软岩的软化及剪胀性，本研究在隧洞模拟时采用考虑剪胀角的双线性应变软化塑性模型对一13 m圆形洞型进行模拟，所建模型如图3所示，其力学参数及地应力值见表1～3，隧洞开挖方式为全断面开挖.

图3 模型计算网格示意图

表1 力学参数

表2 剪胀角参数

表3 地应力参数

2.2 支护前软岩洞室变形特征

无支护隧洞数值模拟分析结果表明:软岩隧洞塑性区深度5.2 m，在拱顶、拱底和左右洞壁前方范围内，出现一定范围的剪应力集中区，如图4所示;在掌子面前方15 m范围处有变形，围岩内部位移量在20～40 mm之间;最大变形出现在隧洞四周约1～2 m处，位移最大值达16 cm，如图5所示.

图4 支护前软岩洞室围岩塑性区分布图

图5 支护前软岩洞室围岩点位移分布云图

软岩隧道开挖后无支护情况下，围岩将出现剪切和张拉破坏，极有可能发生大变形甚至坍塌，故软岩洞室开挖后应及时进行支护.

2.3 支护后软岩洞室变形特征

依照工程类比［9－10］，本研究支护模拟采用C25混凝土和8 m锚杆喷锚支护.喷射混凝土厚度为0.3 m，用锚索单元(cable)模拟锚杆支护，锚杆布置为梅花形，间距为1.2 m.支护数值模拟材料参数如表4所示.

表4 锚杆、喷射混凝土力学参数

支护后软岩隧洞数值模拟分析结果表明:软岩洞室围岩塑性区深度为0.5 m，如图6所示;软岩洞室围岩最大位移量为59.6 mm，围岩内部位移量约在5～55 mm之间，隧道变形值最大位于距离喷射混凝土后洞壁0.2 m范围内，如图7所示.

图6 支护后软岩洞室围岩塑性分布图

相比无支护情况下，支护后软岩隧洞围岩塑性区深度及最大变形量均明显减小，在采用喷锚支护后，预应力锚杆通过预拉应力提高了岩层间的密实度，增大岩层间的摩擦力.同时，锚杆本身的抗剪能力也有效地阻止了岩层间的错动，且锚杆间的压应力锥体相互交错，使隧洞周围的岩层形成一种连续的组合带，有效地提高了岩体抗剪强度.

图7 支护后软岩洞室围岩点位移分布云图

3 结论

本研究采用Flac 3D中考虑剪胀角的双线性应变软化塑性模型对13 m圆形洞型进行模拟，对无支护及支护后软岩洞室稳定性进行模拟.

1)开挖后无支护软岩隧洞数值模拟结果表明，隧洞围岩塑性区深度和最大变形均较大，围岩出现剪切和张拉破坏，极可能发生大变形甚至坍塌.

2)开挖后采用喷锚支护软岩隧洞数值模拟结果表明，隧洞围岩塑性区深度和最大变形均明显减少，围岩的变形破坏得到了很好控制，围岩处于稳定状态.

3)软岩隧洞采用喷锚支护时锚杆通过预拉应力提高了岩层间的密实度，增大岩层间的摩擦力.同时，锚杆本身的抗剪能力也有效地阻止了岩层间的错动，有效提高了岩体抗剪强度，从而保证软弱围岩的稳定性.

4)模拟分析Flac 3D中考虑剪胀角的双线性应变软化塑性模型能较好地反映软岩开挖后围岩稳定性.

［1］杨小礼，眭志荣.软弱围岩中偏压隧道的剪胀特性研究［J］.岩土力学，2007，28(S1):501 －504.

［2］张常光，张庆贺，赵均海.考虑应变软化、剪胀和渗流的水工隧洞解析解［J］.岩土工程学报，2009，31(12):1941－1946.

［3］姜衍祥，何满潮.巷道围岩软化力学模型研究［J］.锚杆支护，1998，16(4):8 －10.

［4］李文婷，李树忱，冯现大，等.基于莫尔一库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(7):1460 －1466.

［5］周勇，王涛，吕庆，等.基于FLAC3D岩石应变软化模型的研究［J］.长江科学院院报，2012，29(5):51 －57.

［6］李震，周辉，宋雨泽，等.考虑硬化软化和剪胀特性的绿泥石片岩力学模型［J］.岩土力学，2013，34(2):404－410.

［7］周家文，徐卫亚，李明卫，等.岩石应变软化模型在深埋隧洞数值分析中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(6):1116 －1127.

［8］张春，茅献彪，倪海敏，等.岩石剪胀效应的数值模拟研究［J］.西安科技大学学报，2011，32(2):1813 －188.

［9］唐儒敏，李虎章.锦屏二级水电站引水隧洞软岩大变形洞段二次开挖支护施工技术［J］.水利水电技术，2012，54(5):4－5.

［10］蒋丹平，陈汉宝.周家垸电站软岩引水隧洞施工支护与地质预报［J］.人民长江，2009，40(19):35 －37.

Stability Analysis of Soft Rock Tunnel Considering Strain Softening and Dilatancy

WANG Jiaxing，LI Xiaolong，XIE Kun，SHEN Yusong
(The State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

The complexity of geotechnical materials makes it impossible to adopt a unified constitutive model to express their mechanical response under external force.Numerous tests and practical projects show that Mohr-Coulomb criterion can better fit the experimental results and is reliably used in geotechnical engineering practice.The full subjective initiative is taken in simulation，and Mohr-Coulomb model considering strain softening and dilatancy is carried out to simulate the stability of soft rock tunnel in order to achieve a more accurate numerical simulation analysis for engineering cases.

strain softening;dilatancy;soft rock tunnel;numerical simulation

TD313

A

1004－5422(2014)01－0086－03

2013－11－18.

王家兴(1988—)，男，硕士研究生，从事地质灾害防治与岩土力学研究.