节理岩体隧道围岩塑性区范围研究

高 典 张立群 戎虎仁 穆柏林 王大路

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

节理岩体隧道围岩塑性区范围研究

高 典 张立群 戎虎仁 穆柏林 王大路

(河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000)

为了研究浅埋偏压条件下节理倾角对隧道围岩变形的影响，选择地形偏压的浅埋隧道为研究对象，采用遍布节理模型来模拟岩层的各向异性特征，分7组不同节理倾角工况对地形偏压隧道进行数值模拟，分析不同工况下隧道围岩的变形量和塑性区，结果表明：随着节理倾角的增大，隧道垂直方向的变形表现出先减小后增大的趋势，水平方向的变形表现出先增大后减小的趋势；当节理倾角为15°时，隧道垂直方向的变形量和水平方向的变形量最小；当节理倾角为60°时，隧道水平方向的变形量最大.随着节理倾角改变，围岩塑性区范围随之发生变化，当节理倾角为15°时，隧道围岩塑性区范围最小，隧道最为稳定.

遍布节理模型；塑性区；FLAC3D

0 引 言

节理大量存在于地壳表面1 km范围内的各种岩石之中，节理的长度小至几厘米、大至数百米，因此在工程中不可避免的会遇到节理面，当岩体中存在一组节理面时，该岩体的破坏特征受这组节理控制，随着岩体内结构面的增加，岩体强度特性逐渐趋于各向同性，Hoek和Brow[1]认为，含4组以上的性质相近结构面的岩体，在地下工程的开挖设计中按各向同性岩体的处理是合理的.左双英、叶明亮、唐晓玲[2]等人对层状岩体的破坏模式进行了研究，并将结果与单轴和三轴压缩数值试验进行了对比，结果表明层面对围岩的破坏模式和塑性区扩展方向起到了控制作用.蒋青青、胡毅夫、赖伟明[3]采用遍布节理模型对层状岩体边坡稳定性进行了分析，得到了边坡岩层倾向和坡面倾向夹角与层理倾角和边坡安全系数的关系.朱泽奇、盛谦、梅松华[4]等人立了可以考虑其横观各向同性变形特性的遍布节理模型，并将其应用到实际工程中，结果表明围岩变形主要表现为岩层同性面内的变形，围岩破坏型式以剪切破坏为主.赵永、杨天鸿[5]采用遍布节理模型对深埋巷道稳定性进行了分析，随着节理倾角增大，塑性区范围由顶板向两帮转移.王余岩[6]利用UDEC软件分析不同节理倾角、节理间距情况下大跨度隧道开挖过程中围岩的变形情况和破坏机制，结果表明节理面间距减小时变形量增大，竖向节理面对隧道围岩的稳定更不利，随着节理面粘聚力和内摩擦角的增加，隧道断面上部岩体承载拱作用减弱，围岩顶部沉降和两侧支护轴力增大.李小帅、唐烈先、张颖[7]等人对含不同倾角节理的单轴压缩试验条件下岩体试样破坏过程的进行了数值试验，结果表明含节理岩体的峰值强度均低于不含节理的岩体，并且节理倾角60°以下时岩体峰值强度较低，而60°以上时峰值强度开始明显升高.

目前对于浅埋偏压地质条件下的节理岩体隧道的研究较少，浅埋隧道由于埋深浅，受外界环境影响大，节理裂隙发育，本文基于FLAC3D有限差分元软件，以某浅埋隧道工程为背景，研究不同节理倾角对隧道围岩变形及塑性区的影响，研究结果为节理发育围岩隧道的施工和支护提供一定参考.

1 遍布节理模型简介

有限差分法中的遍布节理模型(ubiquitous-joint model)是摩尔-库仑模型(Mohr-Coulomb model)的扩展，即在摩尔库仑体中增加节理面，此节理面也服从摩尔库仑屈服准则.该模型同时考虑了岩体和节理面的物理力学属性，破坏可能出现在岩体中，也可能沿节理面破坏，或者两种情况同时发生.

图1 FLAC3D节理面屈服准则

对于遍布节理模型，节理弱面的屈服准则(σ3′3′，τ)坐标系如图1所示，根据摩尔-库仑屈服准则，局部坐标系下屈服包络线AB可表示为fs=0，拉伸破坏包络线BC可表示为ft=0，且有以下函数式存在：

fs=τ+σ3′3′tanφj-Cj

(1)

(2)

2 偏压隧道数值模拟

2.1 模型建立及参数选取

采用ANSYS有限元软件建立模型并划分网格，导入FLAC3D中进行计算，模型屈服准则采用摩尔库伦屈服准则，所建立的隧道模型为地形偏压隧道，地表倾角为30°，初始地应力场为自重应力场，根据以上建立的隧道模型，分别建立了节理倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°共七种计算工况，模型下边界约束其竖向位移，模型左右和前后边界约束其相应水平方向位移.围岩材料和节理参数见表1.

表1 围岩及支护物理力学参数

2.2 洞周变形分析

由于节理的存在，隧道的变形受到节理倾角的影响，隧道周围关键点的位移变化情况见图2和图3，由图2可以发现，随着节理倾角的增大，隧道垂直方向的变形表现出先减小后增大的趋势，其中，拱顶沉降在节理倾角为15°和60°时出现两个极小值点，说明隧道在这两种工况下垂直方向的变形较小，相对与其他工况较为稳定，隧道拱底拱起量随着节理倾角的增大首先减小后增大，当节理倾角大于30°时逐渐增大，增大的程度要低于减小的程度，在0°节理倾角时拱起量为2.48 mm，30°节理倾角时为2.30 mm，60°节理倾角时为2.35 mm；由图3可以看出随着节理倾角增大隧道水平方向的变形量先增大后减小，其中在60°节理倾角时，隧道左拱脚部位的变形量出现峰值，为1.6 mm，远大于0°节理倾角时的0.8 mm和30°节理倾角时的0.83 mm，右拱脚的变形趋势与左侧基本一致，但其变化幅度和变形量均小于左侧，在节理倾角为15°时，水平方向的位移量最小，因此节理倾角为15°时隧道围岩变形量最小，60°节理倾角时垂直方向变形量小，但水平方向上变形量大，因此对于30°地表倾角工况下的偏压隧道，当节理倾角为15°时隧道变形量最小.

图2 垂直方向位移 图3水平方向位移

2.3 洞周围岩塑性区分析

隧道围岩的塑性区变化如图4所示，图中彩色部位代表隧道开挖过程中出现塑性屈服的区域，0°节理倾角时，塑性区范围主要集中在隧道拱顶上方和拱底下方，在拱顶左侧和拱底右侧发展就多；15°节理倾角时，隧道塑性区范围明显较0°节理倾角时减小，并且塑性区有向深埋侧转移的趋势；30°节理倾角时，塑性区在右拱腰部位发展较深，浅埋侧塑性区集中在左拱脚处，发展程度较小，45°和60°节理倾角时，隧道塑性区分布趋势较30°时一致；随着节理倾角继续增大，塑性区范围也有一定增加，当节理倾角为75°时，隧道塑性区分布发生了明显改变，塑性区由隧道由右拱脚部位向右侧和下方发展，两个塑性区之间夹角大致呈90°，浅埋侧塑性区由左拱腰向上方发展；当节理倾角为90°时，浅埋侧塑性区继续向地表延伸，深埋侧塑性区在右拱脚上方和下方，塑性区范围较75°时有一定减小.塑性区的分布与隧道变形趋势基本一致，当节理倾角为15°时，隧道塑性区范围最小，隧道最为稳定.

(a)节理倾角0° (b)节理倾角15° (c)节理倾角30°

(d)节理倾角45°(e)节理倾角60° (f)节理倾角75°

(g)节理倾角90°图4 不同节理倾角工况下塑性区范围分布

3 结 论

通过对不同节理倾角工况下浅埋偏压隧道FLAC3D数值模拟，得出以下结论：

(1)随着节理倾角的增大，隧道垂直方向的变形表现出先减小后增大的趋势，水平方向的变形表现出先增大后减小的趋势；当节理倾角为15°时，隧道垂直方向的变形量和水平方向的变形量最小；当节理倾角为60°时，隧道水平方向的变形量最大.

(2)随着节理倾角改变，围岩塑性区范围随之发生变化，当节理倾角为15°时，隧道围岩塑性区范围最小，隧道最为稳定.

[1]张志刚,乔春生,刘勇.节理岩体强度特征研究综述[J].煤田地质与勘探,2006,34(5):38～41

[2]左双英,叶明亮,唐晓玲,续建科,史文兵.层状岩体地下洞室破坏模式数值模型及验证[J].岩土力学,2013,34(1)：458～465

[3]蒋青青,胡毅夫,赖伟明.层状岩质边坡遍布节理模型的三维稳定性分析[J].岩土力学,2009,30(3):712～716

[4]朱泽奇,盛谦,梅松华,张占荣.改进的遍布节理模型及其在层状岩体地下工程中的应用[J].岩土力学,2009,30(10):3115～3121

[5]赵永,杨天鸿.基于遍布节理模型的深埋巷道稳定性分析[J].金属矿山,2016,(5):36～41

[6]王余岩.节理岩体中大跨度隧道的离散元法分析[D].重庆大学,2014

[7]李小帅,唐烈先,张颖,郭鑫.节理倾角对岩体破坏特性影响的单轴压缩数值试验[J].辽宁科技大学学报,2015,38(6):463～466

Study on the Plastic Zone of the Surrounding Rock of Jointed Rock Tunnel

GAODian，ZHANGLi-qun，RongHu-ren,MUBai-lin，WANGDa-lu

(Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering,Zhangjiakou,Hebei,075000,China)

In order to study the influence of joint inclination on the deformation of tunnel surrounding rock under the condition of shallow buried bias,the shallow buried tunnel is chosen as the research object,the anisotropic characteristics of stratified rock mass are described by ubiquitous-joint model.The numerical simulation of the tunnel with 7 different sets of joints is carried out,and the deformation and plastic zone of tunnel surrounding rock under different conditions are analyzed.The result shows that,with the increase of joint inclination,the vertical deformation of the tunnel shows the trend of decreasing first and then increasing,and the horizontal deformation shows a tendency of increasing first and then decreasing.When the dip angle is 15 degrees,the deformation of the tunnel in the vertical direction and the horizontal deformation is the smallest;when the dip angle is 60 degrees,the deformation of the tunnel is the larges.With the change of joint inclination,the plastic zone of surrounding rock will change,and when the dip angle is 15 degrees,the plastic zone of tunnel surrounding rock is the smallest and the tunnel is the most stable.

ubiquitous-joint model;plastic zone;FLAC3D

2016-12-11

2016年河北建筑工程学院研究生创新基金项目(XA201607),张家口市科技计划财政资助项目(1611061A)

高典(1991-)，男，硕士研究生.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.005

U 451+.2

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