• ISSN 0258-2724
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层状软岩隧道围岩破坏的连续-离散耦合分析

徐国文 何川 汪耀 陈子全

徐国文, 何川, 汪耀, 陈子全. 层状软岩隧道围岩破坏的连续-离散耦合分析[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(5): 966-973. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.05.013
引用本文: 徐国文, 何川, 汪耀, 陈子全. 层状软岩隧道围岩破坏的连续-离散耦合分析[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(5): 966-973. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.05.013
XU Guowen, HE Chuan, WANG Yao, CHEN Ziquan. Failure Analysis on Surrounding Rock of Soft-Layered Rock Tunnel Using Coupled Continuum-Discrete Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(5): 966-973. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.05.013
Citation: XU Guowen, HE Chuan, WANG Yao, CHEN Ziquan. Failure Analysis on Surrounding Rock of Soft-Layered Rock Tunnel Using Coupled Continuum-Discrete Model[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(5): 966-973. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.05.013

层状软岩隧道围岩破坏的连续-离散耦合分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.05.013
详细信息
    作者简介:

    徐国文(1988—),男,博士,研究方向为隧道与地下工程,E-mail: xgw80033@163.com

    通讯作者:

    何川(1964—) ,男,教授,博士,博士生导师,研究方向为隧道与地下工程,E-mail:chuanhe21@163.com

  • 中图分类号: O319.56

Failure Analysis on Surrounding Rock of Soft-Layered Rock Tunnel Using Coupled Continuum-Discrete Model

  • 摘要: 为了研究层状岩体中隧道开挖后围岩的破坏机理,以汶马高速鹧鸪山隧道为例,基于离散元-有限差分耦合算法,建立了一种新的层状软岩隧道开挖模拟方法,采用该方法对不同地应力场、层理间距等因素影响下围岩的破坏模式进行了数值模拟. 研究结果表明:隧道开挖后,应力重分布导致强度较低的层理面首先发生滑移及张开破坏,岩体的滑移及张开使得应力场受到进一步扰动,导致层间岩体产生拉裂破坏;同种水平应力条件下,随着侧压力系数的减小,岩体产生的微裂纹不断增多. 当侧压力系数为1.00、0.80、0.67、0.57、0.50时,微裂纹总数分别为304、391、602、999、1 240;当层理间距为0.6 m时,层理对围岩破坏形态起控制作用;随着层理间距从0.6 m增加至1.2 m,层理对围岩破坏模式的控制作用减弱,围岩的破坏形态与均质围岩相似.

     

  • 图 1  鹧鸪山隧道隧址区区域构造图

    Figure 1.  Regional tectonic map of Zhegu mountain tunnel

    图 2  大变形现象

    Figure 2.  Large deformation

    图 3  典型掌子面地质素描图

    Figure 3.  Typical geological sketch map of tunnel face

    图 4  数值模拟与试验结果对比

    Figure 4.  Comparison between numerical simulation and experimental results

    图 5  耦合示意图

    Figure 5.  Coupling method

    图 6  计算模型

    Figure 6.  Numerical model

    图 7  围岩破坏过程

    Figure 7.  Failure process of surrounding rock

    图 8  破裂增长曲线

    Figure 8.  Fracture growth curve

    图 9  层理方向对破裂影响

    Figure 9.  Effect of bedding direction to rupture

    图 10  裂纹总数与角度关系

    Figure 10.  Relationship between total number of cracks and angle

    图 11  应力场对破裂的影响

    Figure 11.  Effect of stress field to fracture

    图 12  层理间距对破裂的影响

    Figure 12.  Effect of bedding spacing on rupture

    表  1  BPM模型参数

    Table  1.   Parameters of BPM

    参数 数值 参数 数值
    颗粒最小半径/mm 0.18 平行黏结系数 1
    最大最小颗粒半径比 1.66 平行黏结弹性模量/GPa 36
    颗粒密度/(kg•m–3 2 730 平行黏结法向-切向刚度比 3.3
    颗粒间摩擦因数 0.5 平行黏结法向强度/MPa 65 ± 15
    颗粒法向-切向刚度比 3.3 颗粒弹性体模量
    /GPa
    38
    平行黏结法向强度/MPa 120 ± 30
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    表  2  SMJ模型参数

    Table  2.   Parameters of SMJ

    参数 数值 参数 数值
    法向刚度
    /(GPa•m–1
    3 700 黏结模式 切向与法向
    黏结
    切向刚度
    /(GPa•m–1
    860 黏结法向强度/MPa 3.5
    摩擦因数 0.4 黏结黏聚力/MPa 20
    剪胀角/(°) 0 黏结摩擦角/(°) 14
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    表  3  连续单元计算参数

    Table  3.   Parameters of FDM

    密度ρ/(kg•m–3 弹性模量E/GPa 泊松比ν
    2 600 20 0.23
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    表  4  平行粘结模型参数

    Table  4.   Parameters of parallel bond

    颗粒最小
    半径/cm
    最大最小颗粒
    半径比
    颗粒密度/
    (kg•m–3
    颗粒间摩
    擦因数
    颗粒弹性
    体模量/
    GPa
    颗粒法向-
    切向刚
    度比
    平行黏结
    系数
    平行黏结
    弹性模量/
    GPa
    平行黏结法
    向-切向
    刚度比
    平行黏结法
    向强度/
    MPa
    平行黏结法
    向强度/
    MPa
    6 1.66 2 600 0.5 20 2.5 1 20 2.5 12 ± 2 12 ± 2
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    表  5  光滑节理模型参数

    Table  5.   Parameters of smooth joint

    法向刚度/(N•m–1 切向刚度/(N•m–1 摩擦因数 剪胀角/(°) 黏结模式 黏结法向强度/MPa 黏结黏聚力/MPa 黏结摩擦角/(°)
    2 × 1013 2 × 1013 0.5 0 3 2 2 15
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    表  6  裂纹统计表

    Table  6.   Crack number

    侧压力系数 裂纹总数/条 拉裂纹占比/% 剪裂纹占比/%
    1.00 304 94.1 5.9
    0.80 391 92.8 7.2
    0.67 602 91.6 7.0
    0.57 999 91.3 8.7
    0.50 1 240 89.9 10.1
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  • 收稿日期:  2016-04-17
  • 刊出日期:  2018-10-01

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