文摘

准确模拟硬脆周围岩体破坏过程的分析和控制是非常重要的在地下工程中结构稳定性。为了模拟硬脆性围岩渐进破坏过程,一个持续的不连续变形分析方法,夫妻采用有限元离散元素。以URL在加拿大测试隧道为工程实例,接触的本构模型考虑加强凝聚力减弱和摩擦的影响,和二维近似三维开挖采用弹性模量采用减排技术来模拟裂纹扩展的范围和深度的周围的岩体。然后,对比模拟结果和现场监测结果,显示良好的一致性。同时,数值模拟的关键因素的进步在硬脆性岩体识别失败,包括元素的个数,开挖效果,本构模型。结果表明,该本构模型确定裂纹扩展的基本形式,但为了准确模拟裂缝的进步的传播,必须足够足够的元素数量和3 d的影响必须考虑开挖。分析准确模拟硬脆的渐进性破坏特点周围岩体在高应力下,达到的目的合理把握周围岩体的破坏程度,并提供技术参考和支持如何准确地模拟岩体周围硬脆的失败使用有限的离散单元法。

1。介绍

条件下深埋和高压力,硬脆性岩体表现出完全不同的力学行为与下浅埋和较低的压力。剥落和岩石破裂的主要失效模式是这种类型的岩体。研究表明,在深埋隧道的开挖,周围岩体的压力重新分配和小裂缝出现在隧道。这些裂缝继续扩展和相互渗透在外力的作用下,最终导致岩体的一部分分离矩阵岩体,形成一个开挖损伤区(1]。跟踪这个过程有助于理解硬脆性岩体的破坏机理,以便制定相应的控制措施。

近年来,数值模拟技术发展迅速。当现场监测或现场观察不足,数值模拟方法可以有效地跟踪周围岩体的破坏过程。方法主要分为连续分析方法和不连续的分析方法。硬脆的失效模式和机理研究岩体在高应力下,最具代表性的一个是相关工作由URL测试隧道加拿大原子能有限公司(加拿大)。在开挖过程中形成的v型剥落区是一个典型的脆性破坏周围的岩体在高压力。马丁(2,3]研究了花岗岩的变形和破坏机理通过传统室内三轴加载和卸载测试。的基础上,马丁的测试,Hajiabdolmajid et al。4,5)提出了cwf(凝聚力减弱和摩擦加强)本构模型通过深入分析岩体强度参数的演化规律与损伤的发展。该本构模型可以描述花岗岩的脆性破坏行为,和v型剥落区通过数值模拟再现。Diederichs et al。6,7)提出了尤(损伤起始和剥落限制)模型基于Hoek-Brown本构模型和复制的形成v型故障区域。许多学者也作出了许多贡献模拟硬脆岩石开裂与不连续PFC3D等分析方法(8- - - - - -10和模拟11- - - - - -13),没有阐述了一个接一个。

在实际情况下,我们不仅关注地质机构的连续和不连续力学性能也通常需要获得时间和空间的转换过程从连续状态不连续状态。为了解决这个问题,有限的离散单元法,结合连续和不连续的分析方法已逐步发展到模拟复杂的互动失败过程变形的身体(14- - - - - -17]。目前,该方法已成功地应用于模拟斜坡的18,19)、隧道(20.- - - - - -23)等。其中,Vazaios et al。23)使用URL的自主研发项目实现进步的失败测试隧道,并与连续分析方法的计算结果。此外,一些学者结合扩展有限元离散元素(24)、peridynamics和有限元(25- - - - - -27]类似的研究,本质上也是耦合的有限元方法和其他失效分析方法。

摘要continuum-discontinuum CDEM是使用数值分析方法和URL测试隧道为例,分析周围岩体的断裂反应并与现场监测,比较关注进步的裂缝传播。在计算过程中,关键的元素数量的影响,开挖的影响,和本构模型模拟裂纹的形成进行了分析,在如何正确提供参考模拟裂纹扩展的艰苦和脆性岩体在高压力。

2。概述URL的测试隧道

2.1。岩石特征和力学性能

URL测试隧道的加拿大原子能有限(ACEL)位于东北方向约120公里处的温尼伯,加拿大的马尼托巴湖。岩性是虫胶du阀盖花岗岩。圆形Mine_by测试隧道位于深度420米,建于1989年,研究开挖扰动引起的破坏过程及地下洞室围岩高应力下的渐进破坏过程。这附近的花岗岩深度可以分为硬,大规模,脆性岩体,可以认为是均匀和各向同性的。根据室内试验结果,周围岩体的力学参数如表所示1,这将被用来模拟循环测试隧道的破坏过程。

2.2。故障特征

循环测试隧道有46米的长度和直径3.5米。由nonblasting液压技术挖掘岩石开裂。挖掘素材是1米。隧道的轴大约是中间主应力方向平行,使最大主应力的比值最大与最小主应力的关系,在平面上垂直于隧道轴,这有利于促进岩体的失败。位移、应变、声发射/微震的(AE / MS)周围的岩体是由先进的监测仪器和设备。

在开挖过程中,可以观察到片状损害测试隧道的顶部和底部。进步的隧道的脸,径向发展的损害。剥落过程主要发生在推进直径2倍的范围,最后,形成v形切口。的径向深度损伤区(从隧道)的中心通常是1.3至1.5倍隧道半径,也就是说,损伤区域的深度是525毫米和875毫米之间,范围和角是70度,如图1。

根据故障的描述区周围岩体的阅读(28),损坏主要集中在切口区域,也就是说,切口外的岩体基本没有严重缺陷。这是因为在隧道岩体边界的渐进破坏将导致剥落,然后形成一个损伤区。逐渐发生剥落,由于积累的限制约束和岩体的等级,没有更多的塑性应变或损坏将发生在切口区域,隧道将逐渐稳定。

3所示。有限的离散单元模拟

为了获得一个更好的模拟与现场监测一致,一直重复多个试验和错误计算。本文介绍基于最终的计算,然后,等一些因素的影响元素的数量,开挖的影响,讨论了和本构模型,它提供了建议和方向模拟硬脆的渐进性破坏周围岩体使用有限的离散单元法。

3.1。方法介绍

GDEM应力分析系统(29日)是一种高性能的基于CDEM有限element-discrete元素计算软件(连续discontinuum单元法)。这种方法夫妇有限元离散单元,执行块内的有限元计算,并执行离散元素计算块和接口。通过引入一个易碎的一维弹簧,如图2,并通过破裂块内部和元素的接口,它不能只模拟材料的变形和运动特征在连续和不连续状态也意识到的渐进破坏过程的模拟材料从连续到不连续。

显式迭代计算采用基于CDEM time-history-based动态松弛技术。因此,元素的压力和弹簧力的节点在每个时间步,判断和力量可以根据断裂判据。基本的迭代过程如图3。

3.2。模型描述

3.2.1之上。几何模型

指的是论文Vazaios et al。23),采用软件Gmsh获得二维随机网。为了消除边界效应,模拟范围开挖直径为17倍,断面尺寸60 m×60 m。模型分为四个区域,如图4。其中,区域1是环形隧道的挖掘,这转换的元素大小从0.5米到0.03米。区域2是正方形区域相邻的环形隧道开挖过程中首先出现裂缝。所以,元素的大小应该足够小。范围是14米×14米,面积和元素大小是0.03米。由于大范围的整个模型,为了避免损失的计算效率造成太多的元素,两个过渡区域是专门设置的。其中,区域3的范围是25米×25米、和元素的大小从0.03米到1.5米不等。区域4的范围是60 m×60 m,和元素的大小从1.5米到2.5米不等。元素的总数是574828。

3.2.2。边界条件和地应力

模型的边界条件包括位移边界条件和压力边界条件。地应力测量结果表明,在这一领域的最大主应力是60 MPa,中间主应力是45 MPa,最小主应力是11 MPa的最大应力比也达到6:1。考虑地应力的方向和转换的主应力空间笛卡尔坐标系,正应力和剪应力的大小如表所示2。

由于隧道深埋地下,gravity-induced压力是不考虑。对远场边界条件、位移模型的底部是固定的,和相应的法向应力和剪切应力应用于上表面和左右,分别。

3.2.3。本构模型

在传统的连续分析方法中,为了考虑减少postpeak岩体的强度,应变软化模型和cwf模型是常用的。其中,应变软化模型声称凝聚力和摩擦强度构成峰值强度之前发生塑性变形,然后,同时开始失去和逐渐减少随着应变的增加。cwf模型认为,只有岩体的凝聚力发挥作用在初始时刻,和凝聚力逐渐减少损伤的发展,然后,摩擦强度开始发挥作用,逐步增加随着损伤的发展。Hajiabdolmajid et al。4,5吴],[30.),和刘31日)复制URL的v型损伤测试隧道基于cwf方法,验证摩擦强度的重要性加强postpeak阶段。

灵感来自cwf在连续体,此功能移植到岩体的不连续界面元素。采用弹性本构模型内部的元素,和输入参数包括密度、弹性模量和泊松比。元素上的断裂能量模型接口,和输入参数包括正常的刚度、切向刚度、内聚力、内摩擦角、抗拉强度、拉伸断裂能量,剪切破坏的能量。弹性本构模型的增量的关系 在哪里和平均应力增量与应变增量,是体积应变增量,和体积弹性模量和剪切模量的材料,分别。

断裂能量模型本质上是最大拉应力模型和mc模型,这两种考虑线性软化效应的抗拉强度和抗剪强度,分别。增量方法用于计算下一步的正常和切向力的接口: 在哪里和是正常和切向力,和是正常的刚度和切向刚度,通过继承形式元素刚度,然后呢和相对位移的增量在正常和切向的方向。然后,下面的公式(3)是用来判断拉伸断裂,法向力是纠正。即抗拉强度线性减弱时,法向力超过抗拉强度: 在哪里 , ,和在初始界面的抗拉强度,这一次,下次分别是正常的相对位移的接口,拉伸断裂能量,的面积是接口。

与此同时,公式(4)是用于判断剪切破坏和切向力是纠正。即剪切强度线性减弱时,切向力超过了抗剪强度: 在哪里 , ,和是接口的凝聚力在最初的时候,这一次,下次,分别是界面上的切向相对位移,然后呢是剪切破坏的能量。

在断裂能量模型中,剪切强度由凝聚力和摩擦强度。为了模拟cwf的影响,给出了一个小摩擦强度在初始时刻。在这个时候,摩擦强度贡献小的剪切强度。然后,当达到剪切破坏准则,凝聚力开始逐渐失去。此时,界面的摩擦强度将增加10倍。因此,加强凝聚力的弱化和摩擦的目的是达到了。

3.2.4。计算步骤

第一步是计算的初始地应力场模型,在给定边界条件下,进行了832800步,最初的结果是保存后计算。下一步是模拟测试的开挖隧道,而是如何与二维模型模拟三维效应是一个非常重要的问题。因为隧道一般挖掘阶段,周围岩体的阻力和开挖边界逐渐不是瞬间形成的。在二维模型中,由清空隧道开挖模拟元素,这意味着隧道挖掘完全同时,导致实际情况的一个显著差异。因此,应采取一些措施来消除这种开挖效应。功效和Diederichs32]介绍了四种方法使用二维分析近似三维隧道挖掘行为,如图5。Curran et al。33]专门介绍了第四个方法,面对替代方法支持设计弱的岩石。简而言之,进步开挖过程模拟通过设置弹性模量被发掘的部分逐渐减少。面对替代方法,(d)在图5,将在本文中使用。

本文的具体执行过程如下。在最初的弹性计算完成之后,被发掘的弹性模量面积将减少,与其他参数保持不变。,其他领域也保持不变的参数;然后,5000步执行达到暂时平衡。5次重复这个过程,直到3 d开挖行为几乎是近似的。弹性模量的具体设置如表所示3。然后,由清空隧道开挖过程元素,和3000年步骤执行观察裂纹增长。

3.2.5。输入参数

由于缺乏经验,在裂纹扩展的模拟隧道开挖期间,很难直接使用不连续分析方法解决这个问题,和调试过程需要大量的时间。因此,我们采用的策略是首先获得好的结果在连续的范畴,然后迁移到不连续的分析考虑接触元素,并通过连续测试计算获得最终结果。

在连续分析,采用的应变软化模型。采用的材料参数与表是相同的1。失败国家的目标是让周围的岩体与现场监测结果相一致。软件Gmsh用于啮合,图的模型区域是相同的4,但元素的数量是58336。通过调整抗拉强度和剪胀角的值,结果几个方案如图6。指出抗拉强度的增加可以显著减少拉伸断裂的元素数量,和剪胀角的增加可以使v型切口失败更明显,和损失的范围和深度区域扩大。

最后,确认周围岩体的抗拉强度是10 MPa和膨胀角是30度,将用于计算。最后在模型中输入参数如表所示4。

4所示。模拟脆性反应

4.1。模拟的初始应力场

首先,地应力场计算832800步后如图7例如,第一主应力。所示的传说,整个模型的计算应力是53 MPa之间和62 MPa,几乎与标称值60 MPa一致。第一主应力的方向由短的红线,表示与真正的第一主应力的方向。倾角是11度。地应力的准确模拟领域保证了后续开挖计算执行成功。

4.2。模拟脆性破坏

3 d开挖近似重复后弹性模量减少5倍,隧道元素被完全和岩体的裂纹的演化过程如图8。图片(一个)显示了裂纹状态一步857900年只有小裂缝在隧道顶部和底部。照片(b)显示了裂纹状态在858000步。在这个时候,裂缝顶部和底部的范围扩大一点。同时,小拉伸裂缝出现在垂直方向的左右隧道。照片(c)显示了裂纹状态在858900步。顶部和底部裂纹逐渐扩展到深隧道的一部分,和拉伸裂缝两边也扩展到周围岩体的深度。拉伸裂纹的面积没有扩大,仍然是一个细长裂缝。除此之外,在这个时候,v型失败的原型已基本形成。照片(d)∼(f)显示裂纹状态在859400步,859900步,860900步。 During these three stages, the cracks at the top and bottom expand to the depth further, the form of the V-shaped failure is more obvious, and the tensile cracks on both sides do not expand in a large area. After calculating 3000 steps, the crack growth has reached a relatively stable state.

比较失败的周围的岩体和现场监测结果,当裂纹不再继续增长,进一步执行,如图9。顶部和底部的方向垂直于裂缝方向的第一主应力和拉伸裂缝两边的方向正好与第一主应力。测量后,v型切口的范围和深度与现场监测结果有很好的一致性。损伤区域的角度测量的中心隧道约为70度。的深度相对破碎区顶部直径约0.3倍,和总裂缝深度是直径约0.5倍。底部的损害范围和深度的隧道数值计算获得的类似。但在现场监控,实际的损伤区测量在隧道底部的小于计算值。可能有两个原因,一是周围岩体顶部脱落,可能会覆盖地面;另一种是,在自重应力和构造应力的联合作用,裂缝底部实际上是弱于顶部。但在计算,采用自重应力被忽略但对称应力,相同的计算结果得到了顶部和底部。

此外,比较了声发射信号和隧道周围的微震的位置与裂纹扩展,如图9。可以看出,在裂缝的地方出现,相对密集的声发射信号和微震的信号监测,表明确实有裂缝出现和能量释放,这再次证实了计算结果的正确性。

5。关键因素识别

本节主要关注的关键因素在准确模拟裂缝的进步的传播,都从数量的试验结论。

5.1。的元素数量的影响

一般来说,元素的大小有很大的影响在数值模拟34]。在这个计算,网格和连续模型的材料参数,和联系人应用于元素进行连续的边界不连续模拟。接触单元的本构模型采用加强凝聚力减弱和摩擦,并挖掘近似弹性模量被认为是削弱。因此,相比之下,最后计算方案,没有其他的变量,但元素的数量。

裂纹扩展过程在3000年计算步骤如图10,三个结果选择相应的步骤和分析。相比之下,图8,隧道周围的裂缝的位置大概是正确的,但裂缝扩展更广泛的范围和深度深,尤其是在顶部和底部。双方裂缝延伸很长一段距离,和v型切口上并非完全形成。可以推断,需要更多的元素来获得理想的仿真效果。

5.2。开挖方法的影响

它可以看到从一节5.1当没有足够的元素,裂缝扩展的范围和深度广泛虽然裂纹位置大致相同。元素的数量应该调整。同时,他指的是文学Vazaios [23),最后添加的元素数量为574828。接触的本构模型考虑加强凝聚力减弱和摩擦,开挖效应并不是考虑但是直接开挖用于计算。通过这种方式,与最终的模型相比,唯一的变量是开挖方法。

裂纹扩展过程在3000年计算步骤如图11。相比之下,图8的四个角落,裂纹首先出现在隧道隧道的顶部。随着计算的进行,裂缝开始出现在顶部和底部,但裂缝在四个角落仍然存在并得到广泛。当裂纹扩展几乎是在稳定状态,v型缺口已经大致形成。此时,在顶部和底部裂缝相交的裂缝四个角。相比之下,图10,元素的增加限制传播得更远更深的裂缝,但新问题出现了由于忽略了开挖的影响,需要进一步优化和解决。

5.3。本构模型的影响

最后,本构模型的影响进行比较。从连续获得使用的材料参数分析部分5.1。元素的数量是573288,和接触单元的本构模型不考虑加强凝聚力减弱和摩擦,但开挖效应被认为是。唯一的变量与最终模型的本构模型。

裂纹扩展过程在3000年计算步骤如图12。相比之下,图8最初,裂缝出现在隧道的顶部和底部。随着计算的发展,裂缝顶部和底部的范围迅速扩大,扩大更深、更远。3000步完成后,裂纹扩张仍在继续,范围进一步扩大。直到这一次,没有形成v型切口的屋顶上隧道和裂缝看起来凌乱。原因可能是,当元素的应力状态达到断裂判据,凝聚力开始减少,但摩擦强度并不增加,导致元素的承载力不满足要求;然后,发生了快速裂纹扩展。因此,选择一个合理的本构模型是非常关键的。

6。结论

硬脆性围岩的脆性破坏一直是一个问题在工程和学术界。有限离散单元的耦合分析方法因此被迅速发展,但如何准确地模拟裂纹的进步传播仍然需要深入研究。摘要URL测试隧道在加拿大为例,元素的数量,开挖效果,和本构模型讨论了通过不断调整模型和试验计算,最后的结果是在良好的协议与现场监测,并总结了以下结论:(1)接触单元的本构模型是关键因素,确定裂纹扩展的基本形式,通常通过实验室测试。本文借鉴了前人的经验总结,应用模型考虑加强凝聚力减弱和摩擦接触,并取得了良好的结果。(2)在处理硬脆性岩体的裂纹扩展时,元素的数量必须足够足够了。由于元素边界的接触表面,更多的元素可以使应力路径的扩张更准确。(3)使用二维模拟近似三维开挖时,必须考虑实际的开挖方法。然后,必须采取某些措施来模拟实际开挖情况尽可能多。

此外,在本文中,测试隧道是指定的URL。当迁移到其他类似的项目与硬脆性岩体,这样的体验可以被复制,但它应该根据具体情况调整。例如,本构方程的变化与不同种类的岩石或其他方法需要使用近似三维开挖的影响。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

中国博士后科学基金会支持的工作是批准号2021 m690999。