乌鲁木齐地铁隧道互层围岩损伤演化规律模拟研究

谢良甫，王 博，王辉明，路玉佳

(新疆大学建筑工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 引 言

软硬互层围岩是由2种或2种以上不同材料组成的非均质岩体，在隧道、边坡、地下洞室等地质工程中大量存在。由于此类互层围岩结构不完整，围岩质量等级较差，力学性能较低，破坏时力学特性比较复杂，易引发地质灾害，给人民财产及道路交通安全造成重大威胁。大量的室内试验及数值模拟研究认为，围岩层厚比[1-2]、岩层倾角[3- 4]等几何特征对围岩的稳定性影响较大。侯志强等[5]通过室内试验及能量分析得出，互层围岩抗压强度随岩层倾角的增加呈“U”形变化，30°岩层倾角所需能量最低。陈宇龙等[6]分析了不同岩层倾角下裂纹发展情况，并对不同岩层倾角下的围岩破坏进行了分类。黄锋等[7]通过室内试验得出互层围岩破坏先从硬层逐渐发展至软层，随着软层层厚的增加，其破坏峰值强度呈倒“V”形变化。崔华龙等[8]建立了互层岩体三轴数值模型，分析了不同层厚围岩对细观参数粘聚力、内摩擦角变化的影响。谢和平等[9]从能量耗散的角度分析了循环荷载下岩石破坏过程中的能量变化，从微观角度描述了岩石的损伤演化。李昂等[10]基于FLAC模拟了互层岩体单轴压缩过程，认为岩层倾角对互层岩体的力学特性影响较大，并对其破坏过程中裂纹的演化做了描述。此外，在边坡、公路隧道、矿山等领域，众多学者也开展了互层岩体的力学性质研究[11-18]。但以上研究都是从互层围岩破坏的力学特性角度分析，对多个因素影响下互层围岩破坏过程中细微观的能量演化分析较少。

本文以乌鲁木齐地铁1号线隧道中强风化泥岩、砂岩的实际物理力学参数为依据，经过颗粒流数值模拟进行参数标定，使模拟结果能更加真实反应实际情况，然后进行二维单轴抗压强度的试验研究，分析不同层厚比及岩层倾角下的力学特性及能量变化过程，为地铁建造提供理论参考。

表1 宏细观参数与标定结果对比

1 颗粒流计算

1.1 计算原理

颗粒流数值模拟是由球体、墙体(三维)为基本单元所组成的系统，二维为圆盘、线条组成的系统，圆盘或球体是不可变形的刚体。为了模拟不同的材料，颗粒之间接触需要建立本构关系。本文采用的本构关系为平行粘结模型，平行粘结模型可以抽象地视为2个接触的颗粒产生细微的重合区域，二维模型视为1条线，这条线既可以传递力，也可以传递力矩，随着荷载的施加，当接触间的力和力矩小于等于零时，被认为平行粘结模型存在，反之这种本构关系消失。因此，平行粘结模型比较适合模拟岩石材料[19]。

颗粒流数值模拟无侧限单轴压缩过程中，颗粒集合体模拟岩体，通过移动并控制墙体的速度，给岩石材料加压，岩石材料破坏的整个过程都可以被颗粒流软件记录。Fish语言记录并计算墙体上的力，得到轴向应力，通过记录上下加压板竖向位移的变化，得到轴向应变。

1.2 数值试验方案

试验固定层厚为2 cm，以岩层倾角、层厚比(强风化泥岩与强风化砂岩之比)为影响因子进行研究，互层围岩层厚比依次为0.2、0.3、0.5、0.7、1。岩层倾角依次为0°、20°、40°、60°、80°。共计25组试样。

2 数值试验

2.1 模型建立

通过对乌鲁木齐地铁1号线穿越区域内大量的强风化泥岩、砂岩进行室内单轴及三轴压缩试验，得出其宏观参数(如粘聚力、内摩擦角、泊松比等)。同时，在颗粒流数值模拟软件中进行参数标定，使数值模拟结果最大可能反映真实试验。本文采用高12 cm、宽6 cm的长方形试样模拟互层围岩。在软件中共生成6 072个大小不一的颗粒，颗粒的粒径比为2。经过比较，选择了平行粘结模型，共生成16 279个接触。采用contact group对不同层的颗粒赋予相应的参数，以此模拟互层围岩中的不同层面。互层围岩试样见图1。图1中，1、3、5层均为强风化泥岩；2、4、6层为强风化砂岩。图1a层厚为2 cm、 层厚比0.3、倾角60°；图1b层厚2 cm、层厚比0.5、倾角为0°。

图1 互层围岩试样

2.2 参数标定

由于颗粒流数值模拟软件中宏观参数与细观参数没有一一对应的关系，需要通过大量的试验进行标定，使宏细观参数所表现出的力学特性大致相似。本次主要进行了泊松比、弹性模量、粘聚力、内摩擦角的标定。宏细观参数与标定结果对比见表1。从表1可知，宏细观参数标定结果较为接近，2个对应的参数最大差异均小于15%，可以很好地模拟强风化泥岩、砂岩的试验效果。

3 试验结果分析

围岩倾角、层厚比对试样单轴抗压强度的影响趋势见图2。从图2可以看出，围岩倾角为0°、20°、80°时，随着围岩层厚比的增加，单轴抗压强度呈减小趋势；围岩倾角为40°、60°时，随着围岩层厚比的增加，单轴抗压强度的变化不大。说明随着层厚比的增加，围岩倾角为0°、20°、80°时对围岩单轴抗压强度的影响较为明显，0°时最为显著。围岩倾角为40°、60°时，围岩层厚比的变化对围岩单轴抗压强度影响较小，且此时的围岩处于比较脆弱的状态，在地下隧道施工开挖的过程中，具有这些特点的互层岩体值得更加关注。

围岩层厚比为0.2～0.6时，曲线斜率较大，单轴抗压强度减小速度快；围岩层厚比为0.6～1.0时，曲线斜率较小，单轴抗压强度减小速度明显减慢。可以看出，层厚比为1时，不同围岩倾角的单轴抗压强度基本汇聚于一点，说明围岩倾角的变化对围岩单轴抗压强度影响很小，层厚比越小，对不同岩层倾角下的单轴抗压强度的影响越显著。这主要是因为层厚比越小，强风化砂岩在轴向压力的破坏中越起主要作用，而强风化砂岩的强度相对强风化泥岩较强，岩层倾角的变化从一定程度上减小了强风化砂岩的作用，造成了围岩单轴抗压强度的较大变化。

图2 围岩倾角、层厚比对试样单轴抗压强度的影响

4 破坏机制分析

为了深入研究互层围岩不同倾角、层厚比组合下的破坏机制，分别选取了单轴抗压强度中间、最大及最小的3组试样，从裂纹发展及能量场的演化分析互层围岩的细观破坏机制。3组试样参数见表2。

表2 3组试样参数

4.1 裂纹图像分布特征

A、B、C这3组试样破坏后的裂纹分布见图3。图3中，浅色为剪切裂纹，深色为拉伸裂纹。从细微观角度看，剪切裂纹的数量远远多于拉伸裂纹，这主要与平行粘结模型中的切向粘结强度与法向粘结强度比值有关。从图3可知，3组试样中软岩主要为塑性破坏，产生大量的剪切裂纹及少量的拉伸裂纹；硬岩主要为脆性破坏，由大量拉伸裂纹及少量剪切裂纹组成，或者由于软岩较厚，硬岩还未发生破坏，围岩试样就达到了停止加压条件。

A组试样2、4层出现了贯穿的拉伸裂纹及少量的剪切裂纹，1、3、5层有大量的剪切裂纹，主要破坏形式为脆性破坏。B组试样只有第4层有1条弯曲的宏观的拉伸裂纹，1、3、5层有大量的剪切裂纹，破坏形式以塑性破坏为主。C组试样主要是1、3、5层的剪切裂纹，而且剪切裂纹不像A、B试样为大量充满，主要是由于C组试样岩层倾角较大，发生了层与层之间的细微相对位移造成的。

图3 3组试样裂纹

4.2 裂纹发展特征

颗粒间的接触由于受到集中力的作用产生裂隙，随着集中力的持续增加产生裂纹，集中应力由剪切应力和拉伸应力组成。图4为互层围岩裂纹总数量随应变变化趋势。从图4可知，3组裂纹基本在同一轴向应变开始发展，A组单轴抗压强度最大，裂纹发展曲线较为平缓，裂纹数量在后期迅速增加，主要是由于试样发生明显破坏引起的。C组单轴抗压强度最小，裂纹发展最为迅速，裂纹数最少。B组单轴抗压强度接近于C组，裂纹数量却与A组接近，裂纹发展曲线较为陡峭。B、C组虽然单轴抗压强度差异不大，但由于其不同的层厚比及围岩倾角组合，使其裂纹发展的数量快慢也有较大差异。由此可知，围岩倾角、层厚比对裂纹发展的快慢及裂纹数量的多少都有一定影响。

图4 裂纹发展特征

4.3 能量发展特征

互层岩体压缩破坏过程是颗粒间发生了能量的积累、转化与释放。互层围岩试样破坏过程中应变能和摩擦能组成总的势能，应变能由颗粒应变能和平行粘结应变能组成。当处于荷载下的应变能逐渐积累达到岩体承受能量的极限时，岩体的微观结构发生较大变化随即释放能量，在宏观上产生试样的破坏，同时释放的应变能也会迅速的转化为摩擦能。

不同组的能量发展特征见图5。从图5可知，单轴抗压强度越大，其应变能及峰值越大，摩擦能受单轴抗压强度的影响不确定。A组围岩的应变能积累到峰值时迅速下降，而其摩擦能却在此刻急速上升，说明两者之间发生了能量的转化；B组的应变能及摩擦能都比较小，但依然可以看到一个能量的转化过程；而C组由于其围岩倾角及层厚比的特殊组合，应变能积累过程相对微小，很快触发摩擦能迅速增加，这也进一步说明了C组围岩产生了层与层之间较为明显的摩擦，而在围岩试样破碎后，应力释放，摩擦能出现了降低的情况。因此，由于围岩层厚比及岩层倾角的不同组合，其破坏中能量的演化也有很大的区别。

图5 能量发展特征

5 结 语

本文基于颗粒流数值模拟，对不同几何特征的互层岩体进行了单轴压缩模拟，并分析了不同几何特征对互层岩体单轴抗压强度、裂纹、能量的影响。研究可知，随着围岩层厚比的增加，不同的岩层倾角对单轴抗压强度的影响不同；随着岩层倾角的增加，不同的层厚比对单轴抗压强度的影响也不同，但总体上呈“U”形变化趋势。不同层厚比、岩层倾角组成的3组试样的裂纹个数、发展趋势及裂纹的分布都有较大差异。3组试样中，不同的层厚比、岩层倾角的组合造成较大的能量演化差异，由于破坏模式的不同，使得摩擦能出现了不同于应变能的能量演化。

需要说明的是，关于层厚比、岩层倾角这2个因素对裂纹及能量影响哪个更为敏感，需要进一步探究。