研究联合分布对地下隧道的围岩失败

文摘

由于地质构造和人工干扰,大量的关节和裂缝形成的地下隧道的围岩。为了研究关节的影响隧道破坏特征的基础上,三个测试方案与不同关节长度,关节间距,和关节位置设计。结果表明,隧道的承载能力随关节长度的增加而减小。联合间距的增加,隧道的承载能力降低,然后增加。裂纹扩展法的三个测试计划经历了四个阶段:没有裂纹,裂纹萌生、裂纹快速发展,裂缝逐渐减少。关节的位置的故障模式影响最大的隧道。裂纹是最有可能出现在隧道的顶部和扩大关节,主要是因为它很容易形成隧道的顶部拉应力和压应力集中在联合小费。因此,地下空间开挖隧道时,应考虑关节对隧道的影响。分析隧道和关节之间的关系有着重要的现实指导意义,对隧道的围岩的控制。最后,失败室内物理模型和数值模型的结果进行比较和分析。 They are in good agreement, which also reflects the rationality of numerical simulation.

1。介绍

随着城市人口和经济的发展,地下空间的利用越来越日复一日,和地下工程大规模发展。工作在一个地下空间主要是针对岩体材料。大量的关节和裂缝形成在地下岩体由于地质构造和人工干扰。我们都知道,关节和裂缝,因疲弱的飞机直接影响岩体的破坏特征。因此,当挖掘一条隧道在地下空间中,有必要考虑关节在隧道的影响。分析隧道和关节之间的位置关系有着重要的现实指导意义掌握隧道的破坏特征和控制隧道的围岩。

目前,有很多成就的研究裂隙岩体。杨et al。1]分析了两组关节对岩体材料的失败用人造岩石材料。失败的各向异性岩体强度。Bahaaddini et al。2]研究了不连续关节对岩体的力学参数。结果表明,岩体的破坏模式主要是由关节角方向和步骤,和联合倾角参数对岩体的性质影响最大的。林等。3物理模型)进行了单轴压缩试验和样品不同的柱状关节角度,分析了柱状节理岩体的强度特性和变形模量。杨et al。4,5]分析了故障特征和裂纹扩展法断续裂隙岩体的洞。关节的影响规律获得岩体的力学性能。在地下隧道的研究中,一方面,分析了围岩变形与破坏的利用弹塑性力学理论,和法律的围岩应力和位移进行了研究[6]。然后它提供了一个理论依据支持对围岩的控制。另一方面,有节的隧道的变形和破坏进行了研究。例如,爆破对隧道围岩的失败的影响(7),损伤力学和弹塑性力学考虑关节介绍解决围岩(8,9],隧道围岩的稳定性是理论和数值模拟方法研究了块(10,11]。贾等人,王et al。12,13]研究了煤岩体的破坏力学特性的声发射试验和分析煤岩体的内部破坏过程的声发射信号。贾和唐14)用RFPA软件研究分层联合倾角和侧压力系数的影响裂隙岩石隧道的稳定性。胡锦涛et al。(15)研究了不同侧压力系数等参数的影响,联合倾向,和联合联合间距参数和衬性能通过实验和数值模拟方法。总之,很少有研究联合分布对隧道的影响失败。缺乏系统研究隧道破坏的联合分布。

基于上述研究,本文采用数值模拟方法系统地研究了裂隙岩石隧道,三个共同配送方案设计,和不同的联合分布形式对承载力的影响,裂纹扩展,和失败的隧道模型分别进行了分析。最后,数值模拟结果与室内试验结果进行了比较和分析。研究内容具有重要意义理解的失败隧道和指导工程实践。

2。测试计划

2.1。颗粒流代码(PFC)理论和参数检查

为了分析不同的接头形式的影响特点对隧道围岩的失败,颗粒流代码(PFC)是用于研究它。离散元素的基本原则是强迫位移法和牛顿第二定律(16]。PFC提供了PB债券分散粒子模型。当外力超过铅颗粒之间的粘结强度,粒子之间的债券被摧毁和债券断裂形式微裂隙。大量收集和穿透裂纹,导致macrodamage的材料。砂岩是一个典型的水泥材料,岩石的失败也是债券较弱的地方。整个岩石材料的破坏过程相似的PB模型。因此,PB模型可以很好地实现岩石材料的仿真分析。通过内置的鱼语言,PFC不仅可以计算受损的微裂隙的数量也显示他们是否拉伸剪切裂缝或裂缝。它可以更直观地反映岩石的故障特征。一个粒子的离散元素在许多领域得到了广泛的应用,因为它提出了。 In particular, a large number of research achievements have been made in geotechnical engineering [17- - - - - -22]。获得粒子参数是PFC仿真的关键。粒子的微观参数不完全对应于物理参数,但是有很大的相关性。刚度比主要影响岩石材料的泊松比,并行债券抗拉强度主要影响材料的抗拉强度,和并行债券凝聚力主要影响材料的抗压强度。一个联系人模块并行粒子和债券变形模块的共同影响材料的弹性模量。密度是材料的实际密度。因此,microparameters PFC的岩石模型校准通过模拟单轴压缩实验。目前,粒子参数主要是通过反复试验测试,和数值模型的参数是不断调整,直到数值模拟结果与室内试验结果一致。最后,室内试验和数值模拟结果如图1,粒子microparameters如表所示1(23]。

2.2。测试计划

由于地质构造和其他因素的影响,关节的分布在隧道的围岩是复杂的。在隧道开挖过程中,隧道和关节形式不同的位置关系。为了系统地探索关节的影响规律对隧道失败,三种联合分布模式对隧道的影响被认为是失败。这些隧道模型的大小 。由于模型规模的增加,粒子的直径适当扩大以减少计算机的数量计算。的最小粒子直径是0.8毫米,最大粒径为1.2毫米。每个模型的粒子生成过程是相同的。生成模型后,给出了microparameters据表1。岩体的开挖完成删除粒子。隧道的形状是一个直墙半圆拱,半径的圆拱隧道是25毫米,和直墙的大小 。隧道开挖后添加关节,关节形式与隧道不同位置的关系。关节的力学参数如表所示2。这三个方案联合长度不同,联合之间的距离和隧道,关节之间的位置关系和隧道。

2.2.1。不同的接头长度模型

为了研究井眼长度对隧道围岩的影响失败,与联合建立了隧道模型(如图2)和联合的长度被认为是10毫米,20毫米,30毫米,40毫米和50毫米。联合位于脚下的隧道。和每个相应的模型略L-10, L-20, L-30 L-40, L-50。

2.2.2。不同的关节和隧道间距模型

为了研究隧道围岩联合间距的影响失败,隧道模型建立了具有不同节理间距(如图3)和间距是0毫米,10毫米,20毫米,30毫米,40毫米和50毫米。联合位于脚下的隧道。关节长度是20毫米。和每个相应的模型略S-10, S-10, 20, S-30 S-40, 50。

2.2.3。不同的关节位置模型

为了研究双位置的影响隧道围岩破坏特征的基础上,建立了不同位置的数值模型,如图4。双根长度为30毫米。关节位于顶部和肩膀(t - s),肩膀和腰西南郊约20(),腰和脚(W-F),脚和底部(F-B),分别和底部和顶部(地震遥测)。

联合隧道模型建立后,对模型进行压缩试验,并且负载应用于墙顶部通过位移控制,实现模型的加载。应力、应变、裂缝计算和模型的故障模式测试期间的监控。

3所示。分析测试结果

3.1。强度特性

3.1.1。关节长度对强度的影响

图5显示了隧道的应力-应变曲线模型与不同关节长度。从图可以看出,当隧道没有关节(完整的),该模型强度为52.53 MPa。当关节长度逐渐从10毫米增加到50毫米,隧道模型强度为49.19 MPa, 46.30 MPa, 37.81 MPa, 37.07 MPa,分别和33.48 MPa。关节长度的增加,隧道模型的强度逐渐降低,强度降低了6.3%,11.8%,28.1%,29.4%,和36.3%,分别。关节的长度有很大的影响在隧道的承载能力。这主要是因为关节属于弱面结构,减少隧道的承载能力。因此,隧道在开挖过程中,应避免通过关节尽可能长。

3.1.2。关节和隧道间距对强度的影响

图6显示了隧道的应力-应变曲线模型与不同关节间距。从图可以看出,当隧道没有关节(完整的),该模型强度为52.53 MPa。当关节和隧道间距逐渐增加从0毫米到40毫米,隧道模型强度为46.30 MPa, 45.23 MPa, 46.35 MPa, 48.86 MPa,分别和51.07 MPa。之间的间距增加关节和隧道,隧道模型的强度先增加然后减少,但没有进行过联合的力量仍低于模型。主要原因是联合影响隧道的承载能力,降低了模型的强度。与联合之间的间距的增加,隧道,隧道上的接头的影响减少直到消失。因此,隧道应保持一定的距离关节尽可能。

3.1.3。关节的位置对强度的影响

图7是应力-应变曲线模型与双根的位置在不同的位置。从图可以看出,当双关节位于顶部和隧道的肩膀,模型强度为41.42 MPa;当双关节位于隧道的肩膀和腰部,模型强度为44.93 MPa;当双关节位于隧道的腰和脚,模型强度为43.23 MPa;当双关节位于足部和底部的隧道,模型强度为37.82 MPa;当双关节位于底部和顶部的隧道,模型强度为41.22 MPa。与不同的关节位置,隧道的承载能力也不同。与无接缝的模型相比,隧道的承载力显著降低。除了承载力时最低的双接头位于底部和脚的隧道,几乎没有区别其他模型的承载力。这主要是因为隧道很容易形成应力集中在底部角落,和45°剪切破坏很容易由于关节的存在形式。 Therefore, the positional relationship between joints and tunnel should also be considered in the process of tunnel excavation.

3.2。裂纹扩展特征

3.2.1之上。关节长度的影响

图8显示了模型的应力开裂计算曲线与不同关节长度。从图可以看出8裂缝的分布规律计算每个模型曲线基本上是相似的。裂纹曲线经历了四个阶段:没有裂纹,裂纹萌生、裂纹快速发展,裂缝逐渐减少。完整的模型(图8(一个)),当压力是0 - 30.1 MPa,没有裂纹(OA)的阶段。当压力超过30.1 MPa时,裂纹开始启动和一定数量的裂缝出现(AB)的阶段。当它接近峰值应力,裂纹开始发展和扩大,大量的裂缝收集(公元前的阶段)。裂纹积累导致的失败隧道,隧道的承载能力降低,裂纹数也减少,但仍保持一定的裂缝计数。最后,样品的裂纹逐渐减少和示例(CD)的阶段被完全毁灭了。隧道模型与联合10毫米的长度,初始压力是19.6 MPa。应变为0.4%时,有一个小波动应力-应变曲线在相应的位置,和裂纹数大幅增加压力波动的位置。隧道模型与联合20毫米的长度,初始压力是10.2 MPa。隧道模型联合30 mm,启动压力是11.3 MPa。应变为0.33%时,压力波动,主要是因为当地的承载力下降后,裂纹沿着关节。 For the tunnel model with 40 mm joint, the initiation stress is 10.8 MPa, and for the tunnel model with 50 mm joint, the initiation stress is 10.2 MPa. Joints affect the initiation time of cracks in the surrounding rock of the tunnel. The crack distribution process reflects the failure process of the tunnel.

3.2.2。联合关节和隧道间距的影响

图9显示了模型的应力开裂计算不同间距关节和隧道。从图可以看出9裂缝的分布规律计算曲线基本上是相同的。裂纹曲线经历了四个阶段:没有裂纹,裂纹萌生、裂纹快速发展,逐步减少裂纹。无缝模型、曲线法是一样的,如图8(一个)。隧道模型0毫米间距,启动压力是10.2 MPa,和隧道模型间隔为10毫米,启动压力是20.3 MPa。隧道模型20毫米的间距,启动压力是11.8 MPa。隧道模型30毫米的间距,启动压力是20.8 MPa。隧道模型40毫米间距,启动压力是11.5 MPa。有节的隧道的裂纹萌生时间小于合营的隧道。

3.2.3。双位置的影响

图10显示了模型的应力开裂计算不同双根的位置。裂缝分布曲线显示了一个类似的进化。裂纹曲线也经历了类似的演化过程。关节位置t时,模型的裂纹萌生的压力为14.5 MPa,经历了三个山峰和裂缝计算曲线。第一个压力波动发生在峰值应力之前,这主要是由于裂纹扩展方向沿着关节应力达到一定强度的时候。第二个峰值应力出现在的位置应变为0.45%,这主要是由于积累大量的裂缝和裂缝的急剧增加。第三次出现在postpeak位置。西南郊约20起始压力模型的位置,位置W-F F-B位置,和位置ibt 14.5 MPa, 12.6 MPa, 13.1 MPa,分别和16.7 MPa。模型西南郊约20 postpeak压力下降最快的位置,和裂缝的总数小于其他模型。的最大裂纹数出现在ibt模型。

3.3。失效模式

失效模式可以反映断裂过程的隧道,隧道和理解的失败有重要指导意义的开挖隧道。因此,下面的隧道的破坏特征进行了分析。

3.3.1。关节长度的影响

图11显示隧道的破坏模式与不同强度时关节长度postpeak压力的0.95倍。在模型中,红色是裂缝分布,黑人在右下角是联合。当它是一个完整的隧道,裂纹首先开始启动隧道的顶部和底部,然后,裂纹沿垂直方向延伸。与此同时,大量的裂缝也出现在右下角的隧道,逐步渗透。关节长度是10毫米时,裂纹首先开始发芽的顶部隧道和关节的位置;然后,裂纹沿垂直方向延伸,和关节向下扩展的裂纹沿垂直方向的关节。与此同时,上有裂缝模型的左右。关节长度是20毫米时,裂纹首先开始发芽的顶部隧道和关节的位置;然后,裂纹沿垂直方向延伸,和关节向下扩展的裂纹沿垂直方向的关节。同时,右下角的裂纹形成与联合模型的逐步渗透。 When the joint length is 30 mm, the crack extends along the top of the tunnel and the joint position. The top crack penetrates the tunnel upward, and an inverted V-shaped crack is formed in the lower right corner. When the joint length is 40 mm, the crack distribution is similar to that when the joint length is 30 mm, but obvious cracks appear in the arch shoulder of the tunnel, and local damage appears in the lower left corner. When the joint length is 50 mm, the crack failure starts to sprout and expand from the spandrel. The tunnel failure is mainly caused by the penetration of the crack and the joint in the lower right corner. With the increase in joint length, the failure of the tunnel is mainly concentrated in the joint position at the lower right corner, which is also the main reason for the decline of the bearing capacity of the tunnel.

3.3.2。联合关节和隧道间距的影响

图12显示隧道间距不同的失效模式之间的关节和隧道。当间距0毫米,故障特征图的一样吗11 (c)。当间距10毫米,裂纹扩展进行隧道的顶部,裂纹也延伸在右下角的联合,形成一个贯通裂缝,岩石之间的桥梁隧道和关节受损。当间距是20毫米和30毫米,一些裂缝也启动和扩大沿隧道的顶部,右下角的裂缝扩展沿着关节方向,和破坏主要集中在右下角。当间距是40毫米,由于关节之间的间距的增加,隧道,裂纹沿垂直方向扩展起始后关节位置。岩石联合之间的桥梁和隧道只有几个裂缝和不损坏。整个模型的裂缝主要分布在左上角和附近的联合。随着间距的增加,关节对隧道的影响逐渐减少。

3.3.3。双位置的影响

图13显示了失效模式与不同的双隧道的位置。当双关节位置t,裂纹沿垂直方向传播的联合和肩关节的方向。裂纹扩展也出现在右下角的隧道,主要是因为它很容易形成应力集中在隧道的右脚。西南郊约20双关节位于位置时,裂纹也将沿着关节方向传播的肩膀和腰部,但肩膀的裂纹扩展显然比的腰,和当地的失败发生在隧道的左下角。双关节位置W-F时,顶部的垂直裂纹扩展的隧道,和裂缝延伸到右下角沿着关节脚下。很少有裂缝在拱腰。可以看出,在拱腰关节对隧道的失败几乎没有影响,还有当地的失败在左边的隧道。双关节位置F-B时,顶部的垂直裂纹扩展的隧道,沿着关节在右下角的拱脚,和底部垂直向下沿着关节。当双关节位于地震遥测,垂直裂缝延伸沿隧道的顶部和底部,和大量的裂缝出现在当地的隧道。可以看出,裂缝的存在直接影响到隧道的失效模式和变化的故障路径隧道。

4所示。比较和讨论

关节直接影响到隧道的围岩破坏特征的基础上。为了进一步分析隧道围岩联合分布的影响,室内物理模型机械试验研究连接隧道进行了,如图14(24]。隧道模型的大小 。隧道是直墙半圆拱形,半圆拱的半径和直墙的长度都是25毫米。关节长度是20毫米。压缩试验后的失效模式的物理模型隧道如图14。图(14日)是完整的隧道失效模式的图,图吗14 (b)是隧道与顶部的联合失效模式,和图吗14 (c)隧道失效模式与联合脚下。数据14 (d)- - - - - -14 (f)从数值模拟结果显示获得的失效模式。从图可以看出,室内实验和数值模拟的故障特征是在良好的协议。完整的隧道模型,故障隧道的顶部和底部,和裂纹主要沿垂直方向扩展。然而,室内试验模型有明显的块剥落的半圆拱隧道,和裂缝扩展的左右。隧道模型与关节顶部,裂缝扩展垂直向上沿着关节方向,和向下斜裂缝出现在左下角,但一些裂缝也出现在右下角的数值模型。隧道模型联合脚下,裂纹首先沿着关节延伸方向在右下角,和一个向上扩展裂纹出现在顶部的隧道。然而,对于室内物理模型、裂缝也扩展了垂直沿着关节位置,数值模型,裂缝延伸在左下角。模型的裂纹很容易出现在隧道的顶部和扩大沿着关节位置。主要是因为它很容易形成隧道的顶部拉应力和压应力集中在联合小费。通过比较分析,可以看出,数值模拟可以更好地反映隧道的故障特征。 It is reasonable to study the influence law of complex joint distribution on the failure of the tunnel by using the numerical simulation method. Nevertheless, there is still a certain deviation between the indoor test results and the numerical simulation, and some factors need to be further considered. For example, the three-dimensional model is used in the physical test, while the numerical simulation is two-dimensional. Considering the running speed of the computer, the particle size in numerical simulation is larger than that of actual sandstone. The discreteness of actual rock failure is much larger than that of numerical simulation samples. Therefore, more influencing factors should be considered in the future research to make it more consistent with the reality.

5。结论

为了研究关节的影响隧道破坏特征的基础上,三个测试方案与不同关节长度,关节间距,和关节位置设计。结论如下:(1)隧道的承载能力随关节长度的增加而减小。关节的长度有很大的影响在隧道的承载能力。联合间距的增加,隧道的承载能力降低,然后增加。与不同的关节位置,隧道的承载能力也不同。当双关节位于B-F,隧道的承载能力是最低的(2)裂缝的分布规律计算每个模型曲线基本上是相似的。裂纹曲线经历了四个阶段。在第一阶段,压力很小,没有裂纹。在第二阶段,裂缝出现的增加压力。在第三阶段,进一步增加的压力,大量的收集和裂缝扩大。在第四阶段,样品损坏,裂缝逐渐减少(3)关节长度的增加,隧道的失败主要是集中在联合在右下角的位置。随着间距的增加,关节对隧道的影响逐渐减少。裂缝的存在直接影响到隧道的失效模式和变化的故障路径隧道。裂纹是最有可能出现在隧道的顶部,扩大沿着关节。分析隧道和关节之间的关系有着重要的现实指导意义,对隧道的围岩的控制

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家重点实验室的矿业响应和灾难预防和控制煤矿深处研究基金会(SKLMRDPC20KF09),山东省本科教学改革研究项目(P2020013),聊城大学和研究基金(318051703,318051703,318012014)。

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