水平层状软弱围岩破裂碎胀大变形机制有限元-离散元耦合数值模拟研究

在层状岩体中掘进隧洞后,围岩破裂碎胀大变形机制与各向同性围岩存在很大差异。对于无支护隧洞而言,其破裂模式可归结为复合破裂、V型凹槽破裂和层间剥落,不同破裂模式受控于岩体自身物理力学特性、地应力和隧洞断面形状等因素。采用有限元-离散元法(finite-discrete element method,简称FDEM)耦合数值模拟研究了水平层状围岩破裂碎胀大变形机制,并研究了岩体强度参数(如黏聚力、内摩擦系数和抗拉强度)、变形参数(如弹性模量)、地应力和隧洞跨度对水平层状围岩破裂模式的影响。研究结果表明,复合破裂为层状岩体基本破裂模式,其机制为水平集中应力产生的共轭剪切裂隙F3在隧洞中心线附近不断向围岩深处扩展,同时产生平行于层理面的剪切滑移裂隙F1,由此产生中央破碎、两端相对完整的板块岩块;左右两侧板状岩块相互挤压向隧洞内翻转运动产生垂直层理面的拉伸裂隙F2。随着岩体强度的升高、侧压系数的增大或隧洞跨度的减小,F1裂隙消失、F2裂隙与层理面斜交,从而产生V型凹槽破裂。当岩体强度进一步升高或侧压系数进一步增大时,F3裂隙在层理面交界处受阻,进而产生了层间剥落破裂。