文摘
大的压缩变形的隧道现象涉及塑性变形和围岩的失败通常是指软弱围岩self-bearing能力丧失或部分丧失。本研究探讨了大的压缩变形的形成和演化相结合的有效性和高地应力隧道的支持。从新的视角大变形灾害造成的结构破坏的高地应力围岩澄清,本文说明了进步的开裂机理和高地应力软岩隧道大变形的形成方面的self-bearing系统,围岩的变形演化,围岩的力学性能和故障特征。因此,使用连续和不连续数值模拟方法。下面的结论是通过比较仿真结果结合下的围岩支持不支持。(1)支承结构构成了自营系统与周围岩石和扮演的角色codeformation和承载。(2)支撑结构有明显的增强作用在岩体松弛区,从而导致岩体削弱失败的现象。此外,压实区剪切区域的发展。(3)支承结构提高了承载力的岩体松弛区。它还增加了围岩压力和降低了压实区范围。 Simulation results verify that the combined support measures have a good suppression effect on the large compressive deformation, thereby providing a reference for similar projects and research on the large compressive deformation of soft rock.
1。介绍
国家公路建设和公路等级的不断发展导致每日增加公路隧道的建设规模和数量。然而,考虑到地质条件的约束,规划要求,和环境保护,一些隧道建成的区域围岩软弱和结构发展。因此,这些隧道的围岩缺乏足够的强度和稳定能力,和周边收敛和拱顶下沉位移相对较大。依照规范之后,选择保留变形往往会导致入侵限制和更换拱架。这一结果将导致围岩二次扰动,从而影响围岩的稳定性,并推迟工期,导致隐藏的安全隐患。
目前,没有明确、统一的标准围岩的大变形。一些学者表示,会发生大变形围岩变形超过指定金额(1,2]。其他人定义大变形围岩的变形是否超过预留变形(3]。学者们的深入研究表明,大变形不能完全由定义,变形的程度。因此,大变形是一种塑料失败,和提出了进步的和明显的时间效应4- - - - - -7]。此外,一个新的围岩大变形的定义,提出了根据地质条件和力学机制(8]。
研究方向的大型隧道变形主要包括隧道围岩收敛变形机制(9- - - - - -12),预测围岩收敛变形(13),和大变形风险评估(14]。在数值模拟中,有限元方法用于大变形数值模拟的配套措施(15反应),研究隧道形式的隧道变形(16)、治疗软破围岩大变形的(17大变形的影响,研究隧道开挖(18]。学者利用有限差分数值模拟方法作为基础进行岩体变形分析(19),研究了损伤演化的共同作用下隧道二次衬砌的初始支持腐蚀和围岩蠕变(20.,分析了隧道开挖的收敛变形机制在复合层21]。的基础上,结合有限离散单元法(FDEM),这是一种数值模拟方法,软围岩的失败和肿胀变形模拟(22]。汉et al。23)研究的关键角色的位置和倾角断层在决定在隧道岩爆的发展。学者们使用连续不连续单元法(CDEM),这是一个模拟方法,进行比较研究在不同的支持措施(24)的渐进破坏过程和模拟隧道衬砌在不同水压力条件下(25]。杨et al。26)模拟隧道开挖的进化压力和裂缝。冯et al。27,28]讨论了脆性土石混合材料的宏观力学性能,实现了准确计算岩体爆破力和描述通过CDEM岩体损伤与断裂过程。同时,CDEM已经使用在顺层边坡地震稳定性分析,损伤与断裂过程的岩石在爆炸载荷下,和渐进破坏过程的岩石和土壤介质冲击载荷下(29日,30.]。然而,CDEM已经很少被使用在隧道围岩大变形。先前的研究在大变形进行了主要来自连续的角度来看,如变形量和应力场特征,不考虑结构破坏的影响在大变形和不连续的解释过程。因此,应该引入CDEM大幅模拟大变形灾害的渐进破坏过程。
配套措施而言,常规措施围岩具有一定承载能力包括喷射混凝土支持、锚杆支护、钢拱的支持,和先进的小管的支持。然而,联合支持措施中常用的项目。等相当发达的岩体,极端的断裂,断层断裂和挤压岩石区域,和极其薄弱层,传统支持措施偶尔失败。因此,必须采用特殊的支持措施。例如,恒阻大变形锚杆(31日吸收了岩体的变形能量通过弹性变形的三个阶段,结构变形和极限变形。因此,围岩的能量全部释放到一个稳定的状态。直径较小的锚索(32)限制了大变形通过外部的灌浆体之间的摩擦锚固段和孔壁和悬锚定效应的锚点。钢纤维喷射混凝土(33)是由普通混凝土和钢纤维混合来达到抗裂性的功能,强化和韧性。吴et al。34)提出了一种新的钢筋支持系统,该系统结合了填充墙,喷射混凝土,灌浆电缆、预应力锚固和u形钢支架。然而,只有少数研究各种配套措施的有效性的角度解释了配套措施的有效性的影响围岩大变形灾害的结构性破坏和支持结构。
因此,本研究使用前面的问题作为基地的建设Jiumian高速白马隧道为研究背景,利用CDEM模拟大变形灾害高原位隧道和支持措施相结合。的形成和演化机制高压隧道大变形和联合支持的有效性从新的视角探讨了大变形灾害引起的围岩压力的结构破坏。
2。围岩自营系统的概述和大型挤压变形
发生挤压大变形灾害的特点是重要的围岩变形和破坏。图1显示这样的例子作为钢拱的变形和失真,喷射混凝土的开裂,剥落,最初支持入侵极限,拱顶沉降、侧墙挤压和底鼓。探讨内部机制基于这些典型的有限变形外部故障现象,应该使用实际工程为背景,结合数值模拟和有限变形的形成和演化机制基于理论从先前的研究结果必须分析和澄清。
因此,目前的研究方法使用白马隧道为工程背景,研究形成、发展和失败过程的大型挤压变形和围岩状态的自营系统当软岩的挤压大变形发生。自营的围岩系统的基础上,结合数值模拟的结果,阐明挤压大变形的机理形成的围岩自营系统进化的围岩变形、演化的岩体的力学行为,和故障特征。
围岩的自营系统(35)指的是变形围岩隧道开挖期间由于压力调整。当围岩收敛变形和达到一个稳定状态,一个自营系统结构内形成围岩围岩的压力。隧道的围岩变形分为放松、压实和原始应力区从内到外的隧道墙(见图2(一个))。休闲区是指一定范围内的拉伸变形岩体在洞穴。压实区指的是区域岩体的压缩变形的状态在一定深隧道周围的一部分。原岩应力区是区域岩体原岩应力状态。当岩体内部的应力是由水平构造应力、初始压实区将发展成一个stress-bearing拱形顶部和底部和区域压力左右扩大和释放从横向的角度来看(见图2 (b))。
(一)
(b)
因此,形成机制的大变形围岩自营系统可以概括为当周围的岩体隧道壁发生拉伸变形,未能形成一个休闲区。岩体在应力调整和再分配,在深的一部分围岩发生切向压缩形成压实和原岩应力区。然而,在高构造应力等因素的影响,结构开裂,和软岩的强度特征,岩体的自给能力放松区丢失,变形和破坏不能聚合,进一步发展和围岩的自营系统失败,从而最终导致大变形灾害。
3所示。数值模拟的大型软岩隧道的压缩变形机制
CDEM基于拉格朗日方程实现有限和离散元素的耦合模拟的内部和边界骨折块实现渐进破坏过程的材料块代表表示不连续的连续属性和接口属性(参见图3)。GDEM软件在这项研究中的应用是基于CDEM模拟块的整个动态过程连续变形断裂运动。GDEM与常用的有限元相比具有一定的优势和离散单元软件。GDEM可以描述岩体变形和破坏的非线性力学行为在高地应力下,解决非线性和动态不稳定问题使用显式的计算方法,并通过块边界模拟大变形破坏过程和内部断裂。GDEM能够GPU和CPU并行加速和可配备各种数值计算的核心模块,它可以集成和管理。
3.1。基于CDEM大变形数值模拟方案
本研究设计了两个模拟方案大大澄清大型挤压变形的机制和支持效果:(1)大部分开挖不支持措施,(2)大开挖B部分支持措施相结合。两个仿真方案比较的意义的形成过程围岩自营系统不支持措施,及时采用支持措施相结合。计划旨在阐明大型压缩变形的形成和演化机制。方案B设计比较支持角度的变形影响,岩体力学行为变化的过程,和故障特征。岩体变形的原因进行了分析从拱顶沉降,地面隆起、及周边收敛位移,而隧道的原始轮廓线是用来显然比较变形的变化。因此,位移监测隧道轮廓线的排列,如图4。围岩的力学行为反映在应力云地图,和self-bearing围岩体系的形成。最后,失败的属性和特点,分析了围岩使用故障类型图。
本研究使用GDEM-BlockDyna数值模拟来模拟大的压缩变形。模型是基于K39 + 714 - 726段左白马隧道斜井,和计算模型的大小是50 m×50米。具体的模型的大小和测点布置如图4。B计划的具体模型尺寸如图5。线性弹性本构模型的本构模型选择固体单元和莫尔-库仑应变软化模型采用接触表面。在弹塑性计算,位移约束强加在左边,右,和降低模型的边界,应力约束对模型的上部。垂直力的上覆岩体的上部模型应用于均匀分布载荷的形式。此后,三维正应力和剪切应力应用于每一块来模拟结构的压力。位移和速度产生的弹塑性计算被清除,和压力边界条件模型的改变粘性边界条件。原因是粘性边界会吸收压力,从而避免虚假应力波的反射和动态计算执行。
白马隧道位于四川省平武县县和九寨沟交界处。这条隧道是高速公路的主要工程从九寨沟(Sichuan-Gansu边界)到绵阳。隧道的地质构造非常复杂。即岩性主要是板岩、千枚岩,岩石的单轴饱和抗压强度主要是低于30 MPa。因此,白马隧道是一个典型的软岩隧道。错误在这个地区相对发达,6断层交叉隧道的身体,和周围的岩石等级IV和V占大约90%的隧道长度。隧道部分由石板,和周围的岩石是由年级诉根据实际围岩接触K39 + 714 - 726段的左线隧道斜井,岩石力学,锚和衬砌参数大变形模拟如表所示1。地应力参数表2。
3.2。仿真结果的分析不支持大的压缩变形
3.2.1之上。围岩变形的发展
图6云地图显示了位移,white-dotted线是原始轮廓线的隧道。通过比较原始的轮廓线,围岩的变形明显反映。本研究分析了从拱顶沉降变形特性,地面隆起和周边收敛位移。
(一)
(b)
的最大累积位移监测的数据点在图所示7。一旦开挖完成后,立即围岩变形,因为开挖导致围岩压力的重新分配,和软岩本身的强度弱。没有支持的条件下,应力释放造成的反弹过程和膨胀引起的应力调整开放原来封闭的岩体结构面。因此,从0到30000步,拱顶沉降最大位移的增加到175毫米,222毫米周边收敛位移增加,地面隆起达到344毫米。从40000年到310000步,围岩的整体位移进入稳定阶段,最大沉降位移的拱顶是189毫米,周边收敛位移是233毫米,地板隆起位移是357毫米。这时,围岩处于暂时稳定状态,但进一步磨损破碎围岩进一步降低了岩体的强度。因此,从320000年到340000步,拱顶的最大累积沉降位移增加17毫米,最大周边收敛位移增加25毫米,和最大的地板隆起位移增加37毫米。最后,大的压缩变形发生。
与高应力软岩的变形特征总结如下:(1)的发生与软岩大的压缩变形是瞬时的。(2)破碎软岩将改变岩体的应力状态稳定,降低岩体的强度,导致大变形灾害的发生变形时暂时稳定。
3.2.2。围岩力学行为演化
鉴于模拟对象主要是受水平构造应力、水平应力云地图20000年和420000年的步骤和大主应力云选择地图。在云的压力图,紧张是积极的和压力是负的。整个围岩压力。根据围岩self-bearing系统,压实带的形成是由于大主应力变化的切线方向沿着隧道和数值增加。在图8在一定范围内,围岩受到切向压缩,和大主应力形式的地区分布沿切线方向的隧道。与此同时,这一地区的压力和范围逐渐增加压实区。围岩破坏由于挤压,裂缝扩展,和放松区形成。压力压实区比原岩应力大,和原岩应力大于松弛区。的原因是岩体围压下的压实区和它的极限强度随围压的增加。由于开挖,岩体松弛区变化从一个双向应力状态的三向应力状态,导致拉伸断裂。然而,由于摩擦、粘度和相互镶嵌在岩石、岩体松弛区继续的完整性,提供阻力约束岩体在压实区。
(一)
(b)
放松、压实和原岩应力区形成水平应力云映射(图9),压实区转化为压力轴承拱在水平应力和应力释放区云地图。当围岩主要承受水平构造应力、岩体的压实带拱顶和拱底将大大承载力高,因为切向压缩和围压。因此,应力分布类似于拱,叫做stress-bearing拱,形成。逐步形成的松弛区隧道的左右,压力是不断调整并逐步扩大并释放到深层岩体,形成应力释放区。
(一)
(b)
大的压缩变形的力学行为与高应力软岩可以概括如下:(1)的压力压实区比原岩应力大,和原岩应力大于松弛区。(2)在松弛区岩体完整性和可以提供某些阻力约束岩体在压实区。(3)当围岩主要是受到水平构造应力,压实区会形成stress-bearing拱和应力释放区。
3.2.3。故障特征
图10显示故障类型的大型压缩变形(0,未损坏的;1、当前拉伸断裂;2、当前剪切破坏;4、过去的拉伸断裂;和8,经过剪切破坏)。开挖后,围岩的浅表面逐渐破裂,如几裂缝沿轮廓线隧道出现的左和右拱肩(图10 ())。然后,剪切破坏块主要集中在围岩浅表面(数字10 (b)和10 (c))。此外,裂缝扩展库形成垂直裂缝,裂缝和在地板上的发达,导致松弛区(图的形成10 (d))。随着围岩强烈被结构压缩、剥落和块下降现象发生在拱肩,和地板上升由于连接拱底的裂缝和self-bearing能力放松区逐渐失去了和大变形发生。放松区主要是拉伸断裂,而压缩区剪切破坏。通过比较数据10 (c)和10 (d)的剪切破坏区围岩明显从松弛区延伸到深层压实带的一部分。此外,剪切破坏逐渐发生在压实区逐渐形成的休闲区,以及逐渐丧失的self-bearing能力放松区和逐步形成的剪切破坏岩体在压实区。原因是,开挖后,周围的岩体隧道走向隧道间隙表面,导致拉伸变形和拉伸断裂。self-bearing容量的岩体松弛区逐渐丢失,和压力重新分配。因此,岩体在压实区进一步受到切向压缩和剪切破坏发生。
(一)
(b)
(c)
(d)
3.3。研究的有效性基于CDEM仿真相结合的支持
3.3.1。围岩变形的发展
的最大累积位移数据监测如图11。与不支持条件相比,拱顶沉降的最大累积位移减小22.3%,最大收敛位移减少18.5%,地面隆起和最大位移是降低47.7%。这些结果表明,支撑结构加强的岩体松弛区,和自营系统形成的支撑结构和围岩相对抑制围岩变形。与条件不支持,支持结构的稳定时间增加,因为存在延迟的发生大的变形。在390000 - 400000步,最大累积沉降位移的拱顶,周边收敛,和地板隆起突然增加。而突然增加围岩变形不支持条件下,支撑结构的存在显著降低了软岩的强度降低造成的挤压变形和破碎,使最终的收敛。
仿真结果表明,该组合支撑结构对围岩变形有明显的抑制作用。支护结构和围岩围岩构成自营系统发挥作用在加强岩体松弛区和协同变形。它不仅延长了大变形的发展时期,但也减轻破碎程度的围岩由于挤压,从而导致大变形的抑制作用。
3.3.2。围岩力学行为演化
在最后的水平应力云比较不支持(图的地图12(一个)(图)和联合支持12 (b))、围岩和配套措施通常压缩,以及配套措施对周围岩体有明显的强化效果隧道。故障现象的岩体松弛区是缓解和提高承载力,导致stress-bearing拱的缩小和应力释放区。此时,支护结构和围岩形成self-bearing系统和协作一起变形。裂纹发展状态,结合条件下的支持,裂纹只发展沿着隧道轮廓在左和右肩但不进一步扩展到拱屁股和腰部,裂缝渗透拱底部是有效地抑制。大主应力云地图表明,相比之下,不支持条件(图(13日)),增加的压力在压实区和休闲区和压实区扩展到深的趋势围岩明显抑制,这是与压实的扩张区围岩的深度没有条件支持,表明该支护结构参与围岩的承载和股票的一部分压力压实区。
(一)
(b)
(一)
(b)
总之,支持结构的加固效果在岩体松弛区增加了承载力和岩体的应力松弛区范围,减少压实区。压实区扩展到深的趋势围岩明显抑制。此外,支护结构和围岩形成self-bearing系统负载。
3.3.3。故障特征
图14显示了最终失败的比较类型不支持和支持措施相结合(0,未损坏的;1、当前拉伸断裂;2、当前剪切破坏;4、过去的拉伸断裂;和8,经过剪切破坏)。一些裂缝沿切线方向的隧道中出现的支持结构和围岩浅。一些裂缝沿切线方向的隧道中出现的支持结构和围岩浅。此外,主要故障特征是剪切破坏和松弛区的张力失败的现象已经消失了。与条件不支持相比,岩体的破坏区域下的松弛区合并后的支持措施显著降低,裂缝的数量也明显抑制,特别是底拱的故障现象和穹窿。由于构造应力岩体断裂的程度显然是抑制和围岩的完整性是有效地改善。 Meanwhile, the shear failure area also expands deep in surrounding rock because the support structure strengthens the rock mass in the relaxation zone, resulting in the failure phenomenon developing to the compaction zone and deep surrounding rock. This result proves that the support structure and surrounding rock jointly form a self-supporting system to suppress the failure phenomenon.
(一)
(b)
4所示。结论
本研究以白马隧道为背景,比较了两种情况下的数值模拟结果不支持和支持措施相结合。是得出以下结论:(1)大的压缩变形的发生与高地应力软岩是即时的、和软岩的进一步破碎会改变压力稳定状态和岩体强度的降低,导致大变形灾害的发生。(2)压实带的压力大于原岩应力、和原岩应力大于松弛区。在松弛区岩体完整性和可以提供某些阻力约束岩体在压实区。当围岩主要是受到水平构造应力,压实区会形成stress-bearing拱和应力释放区。(3)紧张和剪切破坏主要发生在放松和压实区,分别。的过程中逐渐失去的self-bearing能力放松区,剪切破坏区围岩显然从松弛区延伸到深层压实区。(4)围岩的支护结构和围岩构成self-bearing系统,延长开发周期的围岩大变形和破碎程度的减轻由于挤压,从而导致大变形的抑制作用。(5)围岩的支护结构和围岩构成self-bearing系统,加强了岩体的休闲区。因此,故障现象的岩体松弛区抑制,提高承载力,在压实区增加压力,压实区范围减少。支持结构变形在协作过程中发挥作用,一起共享负载。(6)支撑结构,岩体松弛区和压实区主要是剪切破坏。由于构造应力岩体断裂的程度显然是抑制和围岩的完整性是有效地改善。剪切破坏区扩展的压实区和深部围岩松弛区。
仍存在一些问题需要进一步探讨:(1)本文采用静态过程突然卸载模拟开挖。然而,实际开挖过程中隧道室,大型压缩变形的机制是在动态的干扰。因此,大型压缩变形的机制可以进一步研究从静态和动态载荷共同作用的角度。(2)大的压缩变形的模拟效果取决于分格,在某种程度上这是不真实的。因此,一个更合适的数值计算模型的优化需要建立模型建模和减少依赖网。(3)本文模拟过程不考虑地质构造和其他复杂的条件下,这需要进一步的研究。
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。
确认
本文是由中国国家自然科学基金(41807255号,41772329,和U19A20111),地质灾害预防和Geoenvironment保护国家重点实验室独立研究项目(SKLGP2020Z010),四川科技项目(没有。2021 yj0041),交通科技项目(2020 - 5 - 146)。