應(yīng)用PLAXIS 有限元程序分析平硐圍巖穩(wěn)定性

張吉波，張 領(lǐng)

（河南省鄭州地質(zhì)工程勘察院，鄭州450053）

1 工程概況

河南省洛寧吉家洼金礦外圍金礦位于洛寧縣南西方向，距底張鄉(xiāng)18km，為使金礦能得到合理開采，以取得最大的經(jīng)濟(jì)效益，需對(duì)通往礦區(qū)的PD868S平硐工程進(jìn)行詳細(xì)的礦區(qū)勘察，平硐寬2.4m，高2.5m，為弧形頂，其平面圖和剖面圖如圖1所示，為確保硐室內(nèi)施工的安全，須對(duì)其硐室?guī)r體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定支護(hù)措施。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，在PD868S平硐內(nèi)沒(méi)有斷裂經(jīng)過(guò)。通過(guò)鉆探、動(dòng)力觸探揭示，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)分析結(jié)果，其工程地質(zhì)情況如下：

第①層（Qal＋pl4）：粉質(zhì)黏土，黃褐色，稍濕，可塑。含大量植物根系，偶夾碎石，碎石粒徑0.5～3cm。光滑，干強(qiáng)度中等，韌性較高。該層分布穩(wěn)定，層底深度1.6～3.2m，層底標(biāo)高908.09～925.02m，層厚1.6～3.2m。

第②層（Qal＋dl4）：碎石土，稍濕，底部很濕，含大量卵漂石，其主要成分為黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，粒徑2～30cm；局部夾泥質(zhì)，但含量不均勻，有互層現(xiàn)象。該層分布較穩(wěn)定，層底深度33.93～45.24m，層底標(biāo)高870.74～893.49m，層厚31.53～42.04m。

圖1 PD868S平硐設(shè)計(jì)剖面圖和平面圖

第③層（Arsh）：強(qiáng)風(fēng)化角閃斜長(zhǎng)片麻巖，夾有黑云斜長(zhǎng)片麻巖透鏡體，灰色，強(qiáng)風(fēng)化，結(jié)構(gòu)大部分破壞，礦物成分顯著變化，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體破碎。該層在ZK4號(hào)孔缺失，層底深度41.43～49.89m，層底標(biāo)高861.84～882.42m，層厚4.63～11.07m。

第③1層（Arsh）：強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖，灰白色，結(jié)構(gòu)大部分被破壞，礦物成分顯著變化，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體破碎?；w與脈體己無(wú)法分辨，巖性上與巖漿成因的花崗巖類極為相似，混合花崗巖向四周漸變?yōu)槠渌愋偷幕旌蠋r，沒(méi)有明顯的侵入接觸關(guān)系；巖性不均勻，結(jié)構(gòu)變化較大。該層分布不穩(wěn)定，僅在ZK1被揭露，層底深度41.95m，層底標(biāo)高867.74m，層厚3.0m。

第④層（Arsh）：中等風(fēng)化的角閃斜長(zhǎng)片麻巖，夾有黑云斜長(zhǎng)片麻巖透鏡體，灰色，中等風(fēng)化，結(jié)構(gòu)部分破壞，沿節(jié)理面有次生礦物，風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體被切割成塊狀。該層分布不太穩(wěn)定，在ZK1、ZK2、ZK4號(hào)孔揭露，在ZK3、ZK5號(hào)孔缺失，層底深度38.72～50.75m，層底標(biāo)高858.94～884.38 m，層厚1.52～3.24m。

第⑤層（Arsh）：角閃斜長(zhǎng)片麻巖：灰白色，片麻狀構(gòu)造，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，是太古界太華群石板溝組的主要巖石類型，次為半自型粒狀變晶結(jié)構(gòu)或變余碎屑、交代殘余結(jié)構(gòu)。巖石含斜長(zhǎng)石30%～70%，含石英一般小于15%，普通角閃石在15%～40%之間。原巖為細(xì)碧—玄武巖及凝灰質(zhì)火山巖。夾有黑云斜長(zhǎng)片麻巖透鏡體，微風(fēng)化／未風(fēng)化，基本無(wú)吸水反應(yīng)，結(jié)合好，結(jié)構(gòu)基本未變，僅節(jié)理面有渲染或略有變色，有少量風(fēng)化裂隙。

黑云斜長(zhǎng)片麻巖：灰—灰白色，灰—灰綠色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造。主要礦物為斜長(zhǎng)石、石英、黑云母。次要礦物為角閃石、微斜長(zhǎng)石、白云母等。斜長(zhǎng)石含量30%～70%，粒度0.5～1mm，一般呈不規(guī)則粒狀，多具絹云母化、黝簾石化。石英含量5%～40%，粒度0.1～1mm，呈不規(guī)則粒狀。黑云母含量5%～30%，鱗片大小一般為0.1×0.2～0.5×1.5mm。

該層揭露層底深度58.41～74.26m，揭露層底標(biāo)高851.28～853.16m，揭露層厚7.66～37.93m。

場(chǎng)地地下水類型為基巖裂隙水，勘察期間地下水位埋深50.59～68.32m（標(biāo)高859.10m），水位年變幅1.5m左右。平硐標(biāo)高868m，地下水位在平硐之下，一般來(lái)講可不考慮地下水對(duì)建筑材料的影響，但勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)地下水位之上的巖土體較濕，巖體裂隙有充水現(xiàn)象。

巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3 平硐開挖穩(wěn)定性分析

影響平硐巖體穩(wěn)定性的因素主要有2種：一是巖體應(yīng)力，二是裂隙水。

巖體天然應(yīng)力場(chǎng)分為2個(gè)主要組成部分，即巖體的自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，疊加起來(lái)組成了天然應(yīng)力場(chǎng)的主要部分。在巖體內(nèi)開挖平硐，必然破壞原來(lái)巖體內(nèi)的相對(duì)應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起巖體應(yīng)力狀態(tài)的重分布，使巖體產(chǎn)生變形，巖體的強(qiáng)度和變形特性是否適應(yīng)于重分布以后的應(yīng)力狀態(tài)［1］，將直接影響平硐的安全。

地下水，尤其是裂隙水，作為巖體賦存環(huán)境因素之一，影響著巖體的變形和破壞，影響著平硐硐室的穩(wěn)定性。平硐自西向東穿越的地層為：第②層碎石土，第③1層強(qiáng)風(fēng)化的混合花崗巖，第③層強(qiáng)風(fēng)化的片麻巖，第④層中等風(fēng)化的片麻巖及第⑤層未風(fēng)化的片麻巖。根據(jù)勘察，第②層碎石土底部很濕，含水量較大，而第③層、第③1層和第④層巖石的裂隙中均存在不同程度的充水現(xiàn)象，第⑤層大部分在地下水位之下，因此說(shuō)地下水的存在正在逐步改變巖土體的應(yīng)力狀態(tài)，加重巖體的變形，降低巖土體的抗剪強(qiáng)度。

4 硐室穩(wěn)定性驗(yàn)算

為了對(duì)平硐開挖的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，本文分別采用上覆巖層最小厚度計(jì)算法和有限元法對(duì)平硐開挖的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1 天然開挖時(shí)上覆巖層最小厚度估算

假設(shè)硐室圍巖穩(wěn)定，巖體的天然應(yīng)力為豎向應(yīng)力σv＝ρgh，水平應(yīng)力σH＝λσv，如圖2所示，當(dāng)開挖硐室的內(nèi)徑為a，外徑為b的厚壁簡(jiǎn)內(nèi)壁上作用有均勻內(nèi)水壓力pa。根據(jù)有壓硐室的彈性厚壁筒理論，上覆巖層最小厚度為［2］：

圖2 彈性厚壁簡(jiǎn)理論模型

式中：hcr——上覆巖層最小厚度，實(shí)際工程中還應(yīng)考慮安全系數(shù)k，k＝1.3，即上覆巖層最小厚度hmin＝khcr；

Ρ——土體的天然密度；

λ——天然應(yīng)力比值系數(shù)。

將各孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)剖面圖（圖1）代入式（1），考慮安全系數(shù)，估算其上覆土的最小厚度，見表2。

表2 考慮安全系數(shù)時(shí)平硐上覆土的最小厚度計(jì)算值

由表2可知：考慮安全系數(shù)時(shí)，剖面2至剖面5中，平硐上覆土層的最小厚度計(jì)算值小于實(shí)際值。但在剖面1中，計(jì)算值小于實(shí)際值，也即是說(shuō)在剖面1這個(gè)位置平硐會(huì)遭到破壞。

4.2 PLAXIS軟件有限元分析

4.2.1 PLAXIS軟件簡(jiǎn)介與分析原理

PLAXIS程序是荷蘭開發(fā)的巖土工程有限元軟件，能夠模擬復(fù)雜的工程地質(zhì)條件，尤其適合于變形和穩(wěn)定分析，PLAXIS程序能夠計(jì)算2類工程問(wèn)題：即平面應(yīng)變問(wèn)題和軸對(duì)稱問(wèn)題［3］。在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)PLAXIS程序功能比較強(qiáng)大，能模擬比較多的實(shí)際工程，同時(shí)用戶界面友好，使用也比較方便；能自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，并通過(guò)重要部位網(wǎng)格的細(xì)分到達(dá)比較好的精度；在后處理方面，該程序能在計(jì)算過(guò)程中動(dòng)態(tài)顯示提示信息［4］。

用PLAXIS軟件對(duì)硐室位移進(jìn)行計(jì)算，用該軟件計(jì)算的原理是：如果位移很小，說(shuō)明平硐不會(huì)受到破壞；如果位移很大，說(shuō)明平硐很可能遭受破壞；如果生不成位移云圖，則說(shuō)明平硐一定會(huì)受到破壞。

4.2.2 網(wǎng)格劃分與分析結(jié)果

利用PLAXIS程序進(jìn)行硐室穩(wěn)定性分析，需要建立有限元模型利用PLAXIS程序進(jìn)行二維分析（平面應(yīng)變或者軸對(duì)稱情況），用戶可以選擇節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)三角型單元，本文選擇的是節(jié)點(diǎn)單元。PLAXIS程序在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候，提供了自動(dòng)劃分并可以局部加密（可以在幾何點(diǎn)附近加密也可以在局部幾何區(qū)域上加密）的功能。

輸入?yún)?shù)后剖面1生成的位移圖見圖3。

圖3 剖面1生成位移圖

經(jīng)有限元分析，剖面1無(wú)法生成硐壁位移云圖，根據(jù)有限元位移原理，說(shuō)明剖面1所處的平硐硐壁失穩(wěn)，受到破壞。

剖面2所處的硐壁總位移云圖見圖4。

圖4 剖面2位移云圖

由圖4可知：剖面2所處的硐壁總位移不到2mm，橫向位移也在0～2mm之間，豎向位移2～4mm，位移很小，硐壁較穩(wěn)定。

圖5 剖面3位移云圖

由圖5可知：剖面3所處的硐壁總位移10～11mm，橫向位移8～20mm，豎向位移8～12mm，位移較小，硐壁較穩(wěn)定。

圖6 剖面4位移云圖

由圖6可知：剖面4所處的硐壁總位移12～16mm，橫向位移12～16mm，豎向位移8～10mm，位移較小，硐壁較穩(wěn)定。

圖7 剖面5位移云圖

由圖7可知：剖面5所處的硐壁總位移8～18mm，橫向位移20～30mm，豎向位移8～12mm，位移較小，硐壁較穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基于彈性厚壁簡(jiǎn)理論用公式計(jì)算的結(jié)果和基于有限元理論用PLAXIS軟件計(jì)算的結(jié)果是一致的，結(jié)果為：礦區(qū)的PD868S平硐剖面1所處的硐壁不穩(wěn)定，建議采取一定的支護(hù)措施，以圍護(hù)硐室的穩(wěn)定，剖面2至剖面5所處的硐壁是穩(wěn)定的或是基本穩(wěn)定的。

（2）通過(guò)計(jì)算可以看出，利用PLAXIS程序?qū)鲜曳€(wěn)定性進(jìn)行分析是可行的，通過(guò)位移云圖可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)硐室?guī)r體某點(diǎn)的位移，對(duì)硐室?guī)r體穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)有一定的借鑒意義。

［1］肖淑芳，楊淑碧.巖體力學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1987：91－108.

［2］李智毅，楊裕云.工程地質(zhì)學(xué)概論［M］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1994：247－263.

［3］劉漢龍，吳維軍，高玉峰.土工織物加固堤防非線性有限元分析［J］.巖土力學(xué)，2003，24（1）：79－82.

［4］唐曉松，鄭穎人，鄔愛清，等.應(yīng)用PLAXIS有限元程序進(jìn)行滲流作用下的邊坡穩(wěn)定性分析［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2006，23（4）：13－16.