基于侧压力差异性的深部巷道多场耦合规律分析_谢良甫.pdf

文章编号:1009-6094(2023)02-0451-07基于侧压力差异性的深部巷道多场耦合规律分析*谢良甫1，2，刘晓东1，刘学军3(1 新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐 830046;2 新疆土木工程技术研究中心，乌鲁木齐 830046;3 新疆建筑科学研究院(有限责任公司)，乌鲁木齐 830002)摘要:为综合分析某深部巷道在侧压力差异性下围岩能量场、应力场及位移场之间的影响特征，为后续施工提供理论指导，考虑 4 种侧压力系数(为 0.6、0.9、1.2 和 1.5)，采用三维建模软件 Rhino 进行基本网格建模，再映射至颗粒流离散元软件 PFC3D进行数值模拟分析。结果表明，1)的差异性使围岩应力场发生变化，应力场带动颗粒的运动状态改变，从而进一步影响系统能量场:当 从 0.6 增至 1.5 时，动能增至原来的 3.8 倍，应变能增至原来的 2.6 倍;开挖完成后同水平 下动能衰减至初始值的 2%23%，应变能则衰减至初始值的 80%90%。2)根据 对围岩应力场影响程度的不同，将围岩分为浅、中、深 3 部分，其与开挖巷道的扰动区相对应，应力场变化呈现按照深部岩体、中部岩体、浅部岩体依次增大的现象;随着 的增大，围岩应力场中主导应力改变，体现出拱腰应力变化幅度大于拱顶与拱底的现象，其最大绝对变化量为 52%。3)位移场与应力场变化相对应，当 的差异性导致应力场发生变化时，围岩主导应力状态将会不同，具体表现为随 的增大，拱顶、拱底竖向最大位移减小及云图中水平扰动区范围增大。关键词:安全工程;侧压力差异性;PFC3D;能量场;应力场;多场耦合;演化规律中图分类号:X947文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2021.1787*收稿日期:20211009作者简介:谢良甫，教授，博士，从事岩土体稳定性评价、隧道 工 程、边 坡 工 程 及 数 值 模 拟 研 究，xieliangfu xju edu cn。基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 项 目(51908482);国家自然科学基金地区科学基金项目(52068066);新疆维吾尔自治区高校科研计 划 项 目(XJEDU2018Y008);企 业 课 题(CSCEC2020Z56)0引言随着“一带一路”倡议的提出，近年来国家不断加大西部开发的力度，我国西部部分地区被国家列入首批交通强国建设试点地区，这无疑将推动西部地区交通网络枢纽的蓬勃建设;然而西部地区多山区、地形复杂，气候环境多变，兴建桥隧公路工程将不可避免地面临各种复杂的工程问题，部分交通工程需要穿越山体等进行深埋工程作业，还会面临“三高一扰动”的恶劣工程环境1。因此对于深埋工程而言，深入分析高地应力状态下的稳定性影响因素，剖析工程在不同应力水平下的变形机理，对其安全建设具有重大意义。众多学者采取多种研究手段对不同应力水平下的深埋工程进行了多方面的探索，得出了众多有价值的研究成果。早在 1979 年，Cundall 等2 最先提出了离散元法，指出该方法能够模拟分析材料的细观破坏机制，可以更好地解决岩石力学中的相关问题，此后 PFC 这类颗粒流离散元软件被广泛应用于该领域的研究。康红普3 4 采用数值模拟软件ADINA 研究了巷道的底臌作用，并使用有限元程序研究了侧压力系数对巷道底臌现象的影响，为数值模拟在侧压力系数方面的探索奠定了基础。文献 510 采用离散颗粒元软件 PFC 分析了不同应力状态下巷道周边岩体应力、位移、微观裂纹的变化规律，单方面分析了不同应力场下开挖巷道的稳定性。方超等11 借助三维有限元数值模拟软件 ABAQUS分析了高地应力状态下侧压力系数对隧道围岩位移、应力的影响规律，并对高地应力条件下的公路隧道建设提出了建议。Zhang 等12、李占海等13 通过RFPA2D有限元应力分析数值模拟软件探究了不同侧压力系数下巷道的围岩破坏特征，从应力角度深入剖析了隧道围岩的破坏机制，依据侧压力系数的不同将破坏特征分为不同的模式。李永兵等14 基于连续 离散耦合分析，采用 FLACPFC 耦合程序，从宏观 微观角度开展了不同侧压力系数下巷道围岩破坏机制的研究。众多学者开展的大量研究为深部岩体开挖巷道施工提供了坚实的研究基础与理论依据，但少有综合考虑侧压力系数差异性下隧道能量场、应力场及位移场多场耦合作用下的变化规律。本文以新疆某特长公路隧道为工程背景，以大型三维网格建模软件 Rhino 及离散元数值模拟软件 PFC3D为研究手段，综合分析开挖巷道在不同侧压力系数影响下围岩内部能量场、应力场及位移场的演化规律，结合实际工程进一步丰富深部巷道岩体开挖的理论依据。1数值模型构建1.1模型建立及参数确定利用 PFC3D数值模拟软件建立开挖隧道模型，154第 23 卷第 2 期2023 年 2 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 2Feb，2023以新疆某特长公路隧道项目为工程背景，将隧道简化为上部半径0.65 m、下部半径0.40 m 的拱形断面隧道，参照文献 15 研究成果，选取外部围岩为3 倍隧道半径建立隧道模型，整体模型最终尺寸(x y z)为 4 m 1.5 m 3.5 m，由 65 931 个颗粒及236 102 个接触构成，颗粒半径组成范围为 0.035 0.040 m。模型初始图见图 1。PFC 作为离散元颗粒流软件，将球体颗粒作为基本单元，从细观角度研究颗粒间相互力的作用。在力的作用下，模型中颗粒的运动遵从牛顿第二定律，颗粒与颗粒之间在运动中能够相互形成接触从而产生位移;颗粒间的相互作用遵从力 位移定律，当处于平衡状态的颗粒受外力扰动打破平衡状态时，颗粒 之 间 将 产 生 相 互 运 动，并 且 生 成 新 的接触16。颗粒间的细观参数以材料的宏观参数为基础，通过单轴及三轴数值模拟试验进行参数标定获得。本文模型的宏观参数参照工程勘察报告获取，经参数标定获取的细观参数见表 1，模型的颗粒孔隙率为 0.1，颗粒密度为 2 760 kg/m3。为了获取开挖过程中隧道内应力的变化情况，在隧道中心断面的拱顶、拱腰、拱底处布设测量圆，分别于距拱顶及拱腰0、0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m、1.0 m 处布设 6 个测量圆，距拱底 0、0.2 m、0.4 m、0.6 m 处布设 4 个测量圆。测量圆布置见图 1(a)。1.2开挖巷道建立将模型沿 y 方向分为 5 个开挖阶段，每次开挖推进 0.3 m;在对开挖区域进行阶段划分时，为避免直接通过数值指定开挖范围而出现开挖区域形状不规则的情况，通过外部建模软件 Rhino 建立开挖区域封闭式网格模型，建模完成后映射至 PFC 模型中开挖区域指定位置，形成规则的开挖区域，分别见图1(b)和(c)。1.3侧压力系数水平考虑侧压力系数的差异性，根据工程资料，选取侧压力系数为 0.6、0.9、1.2、1.5 四种水平，初始竖向应力为 4.50 MPa，见表 2。对于不同的侧压系数通过伺服机制施加不同的初始应力，使目标隧道在给定的应力水平下进行开挖。1.4模型开挖将初始模型构建完成后，根据参数标定获取模型细观参数，随后通过以下具体步骤进行模型开挖:将初始模型的接触类型定义为平行黏结模型，赋予模型根据参数标定所获取的细观参数，并运行至模表 2不同水平侧压力系数Table 2Different lateral pressure coefficient应力水平侧压力系数 竖向应力/MPa水平应力/MPa10.64.502.7020.94.504.0531.24.505.4041.54.506.75图 1巷道开挖模拟模型Fig 1Simulation model of roadway excavation表 1模型细观参数Table 1Micromechanics parameters of model接触模量 E1/GPa 平行黏结模量 E2/GPa刚度比 k*抗拉强度 c/MPa黏聚力 c/MPa摩擦角/()3.30.960.962.41012254Vol 23No 2安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 2 期型达到平衡状态;通过伺服机制施加围压，使模型处于目标应力状态;编写 fish 函数，令模型按照预定的进程进行循环开挖，开挖过程中对模型能量、应力、位移进行不间断监测，直至循环开挖结束。2能量场演化规律分析在采用 PFC 进行模拟时，能够通过能量监测获取系统内的能量变化情况。模型在初始状态下，系统中的能量以应变能的形式存储，随着开挖的进行，能量将以动能的形式释放，整个开挖过程主要耗散的能量为颗粒的滑移摩擦耗散能及阻尼耗散能，其动能及应变能的定义如下。1)动能(ekinetic)。Ek=12mv2(1)式中m、v 分别为模型中颗粒的质量及速度。2)应变能(estrain)。Es=12F2nknA+Fs2ks(A+M2tksJ+Mb2kn)I(2)式中Fn、Fs分别为平行黏结法向力与切向力，Mt、Mb分别为平行黏结扭矩与弯矩，kn、ks为平行黏结法向刚度与切向刚度，J、I 分别为平行黏结极惯性矩与惯性矩，A 为平行黏结的横截面积。从式(1)可以看出，模型动能的变化主要由颗粒的运动速度控制，模型从平衡到开挖扰动直至再次恢复稳定状态过程中动能是不断变化的。式(2)表明模型的应变能由模型的接触力主导，因此，当侧压力系数改变时，模型中应力状态发生变化，随之影响颗粒间的接触力，而系统中的应变能将随着颗粒接触力的变化而不断进行更新。考虑不同侧压力系数的动能及应变能的演化分别见图2 和3。隧道在开挖时，由于开挖扰动造成隧道内部的应力状态发生变化，从而使模型内部的颗粒产生运动，且初始时速度较大，颗粒之间的接触被破坏，模型的动能也因此迅速增加;而随着侧压力系数的增加，动能的这种增加更为明显，从 0.6 增至1.5，对应的动能增至原来的 3.8 倍。随着开挖的进行，颗粒运动速度逐渐降低，颗粒之间逐渐生成新的接触，模型动能逐渐降低;随着一个开挖阶段的结束，颗粒运动速度不断减低，当侧压力系数保持同一水平时，对应动能衰减至初始值的 2%23%，最终模型逐渐趋于稳定状态，在整个开挖过程中模型的动能与侧压力系数呈现正相关。模型颗粒与颗粒之间所存在的黏结能连同变形能共同组成应变能，隧道开挖破坏岩体的自稳定状态，导致岩体内部存储的应变能逐渐释放，因此系统中应变能增加，而随着侧压力系数从 0.6 增至 1.5，应变能增至原来的 2.6 倍。随着开挖阶段的不断进行，模型内的应变能逐渐降低，同一侧压力水平下，应变能降至初始值的 80%90%。应变能随开挖进行整体呈阶梯状分布，且在下一个开挖阶段开始前，应变能会先降低而后再升高。随着侧压力系数的不断增大，模型的应变能整体增加。图 2动能演化曲线Fig 2Kinetic energy evolution curves图 3应变能演化曲线Fig 3Strain energy evolution curves3应力场演化规律分析3.1拱顶应力场的演化规律隧道开挖完成后不同侧压力系数下拱顶岩体应力的演化规律如图 4 所示，随侧压力系数增大，开挖完成后岩体的应力整体呈现增大趋势。水平应力变化特征表现为:浅部岩体(距拱顶0.2 m 以内)x与 y变化率较大，中部岩体(距拱顶0.2 0.6 m)x与 y变化率较小，深部岩体(距拱顶3542023 年 2 月谢良甫，等:基于侧压力差异性的深部巷道多场耦合规律分析Feb，20230.6 m 以外)x与 y变化率明显降低，应力逐渐趋于稳定。这主要是因为隧道在开挖过程中产生扰动作用，在侧压力系数变化下应力场发生相应改变，使得这种扰动更加明显，因此不同部位岩体应力会有截然不同的变化，这与前人研究中将开挖隧道应力的变化分为峰值区、剧烈影响区、超前影响区所得出的结论一致17。在同等侧压力水平下，除浅部岩体外，其余部位水平应力的变化整体较为稳定，表明开挖过程在水平方向的扰动相对较小。