隧道底板渐进破裂碎胀大变形:一种新的底鼓机制研究

底鼓是深埋高应力软岩隧道常遇灾害,现有底鼓力学机制忽略了隧道开挖导致的围岩应力释放、应力转移和应力集中现象,仅对初始地应力状态进行了分析。因此,鉴于有限元-离散元耦合数值方法(finite-discrete element method,简称FDEM)在模拟岩体材料弹塑性连续变形和断裂失效非连续变形以及破碎块体接触方面的优越性,采用FDEM数值模拟方法研究了隧道底板渐进破裂碎胀大变形演化机制,并研究了地应力侧压系数、围岩体抗拉强度和底板位置对底鼓机制的影响。结果表明:(1)隧道底板底鼓力学机制为围岩的破裂碎胀性大变形,可简述为隧道开挖导致径向应力降低、切向应力升高,当升高的切向应力超过岩体强度时便产生共轭剪切破裂并伴随拉伸断裂,最大切向应力不断向深处完整围岩演化直至与岩体强度达到极限平衡状态,剪切裂隙也随之不断向深处扩展,深部块体推挤浅部块体向隧道空间移动并产生大量空隙,发生体积膨胀现象,造成底鼓灾害;(2)根据地应力侧压系数和围岩体抗拉强度的不同,可归纳出5类不同的底板破坏模式,但都可归结为由于最大切向集中应力造成的破裂碎胀性大变形。修正了原有底鼓力学机制未考虑应力释放、转移和集中等应力演化现象的不足,提出了一种新的基于渐进破裂碎胀性大变形的底鼓力学机制,为隧道底鼓机制的研究提供了一种新视角。

含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理FDEM数值模拟研究

巷道频繁遭遇褶皱构造,采用有限元离散元耦合数值模拟方法(FDEM)研究含褶皱巷道围岩破裂碎胀大变形机理。首先改进了FDEM剪切应力峰后软化本构模型,使其在压剪应力状态下保持残余剪应力,随后采用余弦函数y=acos(x)建立不同形态的褶皱构造数值模型,最后采用改进的FDEM数值模拟程序研究了不同地应力侧压系数λ(λ=0.5、2.0)和不同褶皱形态下(a=0、0.5 m和1.5 m)的各向同性围岩体破裂碎胀大变形机理。结果表明,对于各向同性岩体,褶皱形态的影响微弱,均呈现X型共轭剪切破坏并伴随拉伸断裂,断裂块体沿剪切带的滑移剪胀及破碎块体的翻转大运动造成破碎岩块的体积膨胀,发生破裂碎胀性大变形。

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。