隨機(jī)介質(zhì)理論下隧道圍巖漸進(jìn)破壞過程數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究*

商擁輝,李 航,張 波,方前程

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中大路橋集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150300;3.沈陽市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，遼寧 沈陽 110013；4.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

?

隨機(jī)介質(zhì)理論下隧道圍巖漸進(jìn)破壞過程數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究*

商擁輝1,4,李 航2,張 波3,方前程4

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中大路橋集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150300;3.沈陽市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，遼寧 沈陽 110013；4.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

將強(qiáng)度折減法引入到隧道圍巖安全評價(jià)中，結(jié)合“淺埋暗挖快速施工雙線小間距隧道、盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)隧道和結(jié)構(gòu)面含有節(jié)理、不規(guī)則裂隙的山體公路隧道”等工程實(shí)例，借助材料真實(shí)破壞分析軟件RFPA-2D，建立每個(gè)強(qiáng)度折減系數(shù)下的有限元模型。模型采用了黏彈性人工邊界來消除邊界條件對計(jì)算精度的影響，并借助隨機(jī)介質(zhì)理論實(shí)現(xiàn)了圍巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)單元的非均值性和隨機(jī)分布的缺陷，揭示了不同工況下隧道圍巖的動(dòng)態(tài)漸進(jìn)破壞過程、基元相變損傷演變機(jī)理和巖體結(jié)構(gòu)面破壞特征，認(rèn)為隧道圍巖的宏觀破壞是由巖體非線性材料細(xì)觀單元的非均值性造成的，計(jì)算結(jié)果借助不同折減步中裂紋發(fā)展趨勢和單元破壞的數(shù)量判斷隧道圍巖是否失穩(wěn)破壞，并計(jì)算出具有安全儲(chǔ)備意義上的安全系數(shù)。同時(shí)，結(jié)合ABAQUS和RFPA-2D兩種不同有限元模型，對比分析了隨機(jī)介質(zhì)理論和連續(xù)介質(zhì)理論結(jié)合強(qiáng)度折減法在隧道圍巖穩(wěn)定性評價(jià)中的差異。

隨機(jī)介質(zhì)；強(qiáng)度折減；隧道圍巖；破壞過程；安全系數(shù)

強(qiáng)度折減法最早于20世紀(jì)70年代 的英國科學(xué)家Zienkiewicz等提出，并最早用于邊坡穩(wěn)定性評價(jià)中[1-2]。該方法通過不斷折減巖體材料的強(qiáng)度參數(shù)，能夠得到巖土材料極限平衡狀態(tài)時(shí)的破壞位置、破壞性質(zhì)，并得到穩(wěn)定安全系數(shù)[3-7]。近年來，伴隨著計(jì)算機(jī)水平、強(qiáng)度折減法力學(xué)破壞機(jī)理的不斷發(fā)展，如：鄭穎人和趙尚毅等[6-9]從理論上對安全系數(shù)的定義、屈服準(zhǔn)則和流動(dòng)法則的選取、邊坡破壞判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、巖土參數(shù)的取值和如何提高計(jì)算精度的措施做了大量研究，為強(qiáng)度折減法在隧道中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

強(qiáng)度折減法借助傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算軟件，對隧道開挖圍巖穩(wěn)定性的判斷主要結(jié)合圍巖的位移和塑性區(qū)的發(fā)展，如：李秀地等[10]把強(qiáng)度折減法和有限差分軟件FLAC3D結(jié)合，對沉管海底隧道的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析；江阿蘭等[11]把強(qiáng)度折減法和有限元軟件ABAQUS結(jié)合，對沈陽地鐵某標(biāo)段淺埋暗挖快速施工隧道的安全穩(wěn)定性進(jìn)行分析。以往研究主要從巖體宏觀上是連續(xù)均值介質(zhì)著手，而張波、張黎明、商擁輝[12-14]等結(jié)合真實(shí)破壞分析軟件RFPA2D，結(jié)合隨機(jī)介質(zhì)理論[12-18]，從巖體材料的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用韋伯隨機(jī)分布函數(shù)來實(shí)現(xiàn)巖體細(xì)觀結(jié)構(gòu)單元的非均值性和缺陷，結(jié)合工程實(shí)例，對隧道圍巖強(qiáng)度折減過程裂紋的發(fā)展過程進(jìn)行模擬，借助折減步中聲發(fā)射規(guī)律了解細(xì)觀單元破壞過程中能量的變化過程。該方法較傳統(tǒng)方法更直觀、簡單。

強(qiáng)度折減法在計(jì)算隧道圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)時(shí)，應(yīng)注意隧道是整體失穩(wěn)還是局部失穩(wěn)。隧道受剪破壞的安全系數(shù)也可分為兩種[15]：①隧道整體失穩(wěn)，其相應(yīng)的是整體安全系數(shù)；②隧道局部失穩(wěn)，一般發(fā)生在節(jié)理裂隙巖體中，其相應(yīng)的是局部安全系數(shù)，也可通過塊體平衡等方法求解。

本文借助真實(shí)破壞分析軟件RFPA2D，建立隨機(jī)介質(zhì)理論下的非均值模型，對“淺埋暗挖快速施工雙線小間距隧道、盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)隧道和含有復(fù)雜裂隙山體公路隧道”等復(fù)雜環(huán)境條件下隧道的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，重在揭示復(fù)雜隧道不同工況下圍巖的破壞機(jī)制，能夠?yàn)轭愃扑淼拦こ虈鷰r的安全穩(wěn)定性評價(jià)提供一種思路。

1 強(qiáng)度折減法及安全系數(shù)

安全系數(shù)的定義Fs也稱穩(wěn)定系數(shù)，是邊坡穩(wěn)定性研究中的一個(gè)重要概念。傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性的分析中安全系數(shù)定義為滑動(dòng)面的抗滑力與下滑力之比。隧道計(jì)算中基于強(qiáng)度儲(chǔ)備概念的安全系數(shù)Fs定義為[6]：當(dāng)巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ分別用其臨界強(qiáng)度參數(shù)c′和φ′所代替后，巖土體將處于臨界平衡狀態(tài)，其中，

(1)

由折減系數(shù)和失穩(wěn)時(shí)當(dāng)前的計(jì)算步可以求圍巖初始時(shí)(未折減時(shí))強(qiáng)度儲(chǔ)備安全系數(shù)，安全系數(shù)Fs的計(jì)算公式如下：

Fs=1/(1-n×step)。

(2)

式中： 為折減系數(shù)，取0.02；step為折減破壞失穩(wěn)時(shí)當(dāng)前的計(jì)算步。

2 復(fù)雜環(huán)境條件隧道工況分析

2.1 雙線小間距淺埋暗挖隧道

某市地鐵2號(hào)線某區(qū)間起訖里程為：右線K0+0.000～K1+390.5，全長1 390.5m，區(qū)間為單洞單線馬蹄形斷面，軸線平均間距15m，線路縱向呈“∨”型坡，區(qū)間隧道覆土厚度為10～12m，最小線間距為12.5m，隧道埋深10.15m。地下水位平均埋深為14.5m左右。區(qū)間土體主要參數(shù)詳表1所示。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2.2 盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)隧道

某市地鐵2號(hào)線在K1+110～K1+700設(shè)計(jì)里程范圍下穿立交橋。隧道采用土壓平式盾構(gòu)機(jī)施工，雙線隧道間距13～50m。隧道結(jié)構(gòu)底最大埋深約30.12m，最小埋深14.98m。立交橋基礎(chǔ)為人工挖孔樁，埋深13.3～17.2m，樁徑2.0～2.5m值均下穿立交結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。

圖1 盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)平面圖

根據(jù)盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)工況，研究區(qū)斷面可以分為以下幾類。①不含樁基的截面。這類截面較多，占據(jù)整個(gè)研究區(qū)95%以上。②樁基距離隧道一側(cè)大于10m的截面。由于樁基距離隧道較遠(yuǎn)，隧道開挖時(shí)受樁基荷載的影響較小，計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。③樁基距離隧道一側(cè)3～10m的截面，該類截面僅一個(gè)。④樁基距離隧道一側(cè)0～3m的單樁截面，該類截面僅一個(gè)。各斷面基本信息詳見表2，土層參數(shù)詳見表3。

表2 各斷面基本信息統(tǒng)計(jì)表

表3 土層力學(xué)參數(shù)

2.3 結(jié)構(gòu)面含有節(jié)理、裂隙隧道

重慶至長沙高速公路某區(qū)間線路穿越山體而修建隧道。該區(qū)間山區(qū)巖石結(jié)構(gòu)面較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為水平結(jié)構(gòu)面，30°、45°傾角結(jié)構(gòu)面和含有復(fù)雜裂隙的結(jié)構(gòu)面，裂隙長度在3～6m。計(jì)算選取斷面具體信息詳見表4。

表4 各斷面基本信息統(tǒng)計(jì)表

3 隨機(jī)介質(zhì)理論下非均值模型

RFPA-2D建模中，基元是代表物理力學(xué)性質(zhì)特征的最小介質(zhì)單元，圍巖漸進(jìn)破壞過程就是基元受壓或拉作用下，不斷損傷引起的裂縫萌生、擴(kuò)展和破壞的過程[15-17]。模型通過Weibull隨機(jī)分布函數(shù)實(shí)現(xiàn)材料的非均值性和缺陷。

(3)

式中：φ(x)為具有彈性模量E的基元的統(tǒng)計(jì)數(shù)量。由式(3)統(tǒng)計(jì)分布構(gòu)成的基元組成一個(gè)樣本空間，在均值E0不變的情況下，由于m值的差別，積分空間分布卻不一樣。這些基元構(gòu)成的巖石類介質(zhì)的細(xì)觀平均性質(zhì)可能大體一致(E0相同)，但是由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)的無序性，使得基元的空間排列方式有顯著的不同。這種細(xì)觀上的無序性正好體現(xiàn)了巖石類介質(zhì)獨(dú)特的離散性特征。

模型中用彈性損傷力學(xué)的本構(gòu)關(guān)系對土體細(xì)觀單元的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行描述。依據(jù)等價(jià)應(yīng)變原理，通過無損材料中的名義應(yīng)力對受損材料非線性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述，即：

(4)

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E0為初始彈性模量；E為損傷后的彈性模量；D為損傷參量。在單軸應(yīng)力狀態(tài)下表示材料體積單元中存在的微裂紋的比率，當(dāng)D=0時(shí)，材料無損傷，當(dāng)D=1時(shí)，材料完全損傷。

計(jì)算中采用帶有拉伸截?cái)嗟哪?庫侖準(zhǔn)則。當(dāng)細(xì)觀單元的最小主應(yīng)力超過其單軸拉伸強(qiáng)度時(shí)細(xì)觀單元發(fā)生拉伸破壞，此時(shí)損傷演化方程：

(5)

式中:σrt為細(xì)觀單元拉伸破壞時(shí)的殘余強(qiáng)度；εt0為細(xì)觀單元拉伸破壞的最小主應(yīng)變閾值；εtu為細(xì)觀單元分離的最小主應(yīng)變閾值。

根據(jù)工況和RFPA-2D軟件特點(diǎn)，“盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)隧道和結(jié)構(gòu)面含有節(jié)理、不規(guī)則裂隙的山體公路隧道”模型尺寸選取60m×60m，每個(gè)單元尺寸為300mm×300mm，整個(gè)模型共有40 000個(gè)單元數(shù)。模型兩側(cè)限制水平方向位移，底邊為固定約束。模型采用韋伯分布函數(shù)對基元進(jìn)行隨機(jī)賦值，通過均值度來反映材料的離散性，均值度系數(shù)m值越高，基元離散程度越低，根據(jù)材料性質(zhì)的不同，土體材料取m=3，巖體材料取m=100。介質(zhì)的彈性模量空間分布形式見圖2。

(a)m=2 (a)m=4 (a)m=5

4 計(jì)算結(jié)果分析

為了對比分析隨機(jī)介質(zhì)理論和連續(xù)介質(zhì)理論結(jié)合強(qiáng)度折減法在隧道圍巖穩(wěn)定性評價(jià)中的差異，對于“淺埋暗挖雙線小間距隧道”，利用有限元分析軟件ABAQUS計(jì)算。結(jié)合文獻(xiàn)[5-15]，模型尺寸取80 m×40 m。土體和襯砌等區(qū)域采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變縮減積分單元(CPE4R)，錨桿采用桁架單元(T2D2)。開挖面土體、襯砌、注漿層采用掃掠網(wǎng)格劃分，其它部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。模型兩側(cè)限制水平方向的位移，底邊限制水平和豎直方向的位移。土體采用Mohr-Coulomb非線性本構(gòu)模型。

計(jì)算中通過以下三個(gè)方面判斷隧道圍巖是否破壞：①有限元靜力平衡計(jì)算不收斂；②以塑性區(qū)或者等效塑性應(yīng)變貫通隧道；③滑動(dòng)面土體應(yīng)變和位移發(fā)生突變使土體無限移動(dòng)發(fā)展?；瑒?dòng)面塑性區(qū)貫通是隧道破壞的必要不充分條件，由于滑體出現(xiàn)無限移動(dòng)和計(jì)算不收斂同時(shí)出現(xiàn)，可將有限元計(jì)算是否收斂或者滑面節(jié)點(diǎn)塑性應(yīng)變和位移突變作為隧道破壞的依據(jù)。

圖3(1)是淺埋暗挖雙線小間距隧道不同折步下隧道圍巖的位移和塑性區(qū)分布云圖。從圖3(1)可以看出：隨著強(qiáng)度折減，隧道洞口上方位移開始變大，折減系數(shù)為2時(shí)，隧道洞口上方位移開始出現(xiàn)貫通趨勢，強(qiáng)度折減系數(shù)為2.75時(shí)，位移貫通隧道洞口；位移變化的同時(shí)，塑性區(qū)隨強(qiáng)度折減也在不斷擴(kuò)展，最先位于洞口兩側(cè)水平區(qū)域，折減系數(shù)為2.75時(shí)，塑性區(qū)貫通隧道，且此時(shí)計(jì)算不收斂，故此雙線小間距隧道安全系數(shù)為2.75。

(a)n=1位移云圖 (b)n=1.25位移云圖 (c)n=1.75位移云圖 (d)n=2位移云圖

(e)n=2.5位移云圖 (f)n=2.75位移云圖 (g)n=1塑性區(qū)云圖 (h)n=1.25塑性區(qū)云圖

(i)n=1.75塑性區(qū)云圖 (j)n=2塑性區(qū)云圖 (k)n=2.5塑性區(qū)云圖(m)n=2.75塑性區(qū)云圖(1)工況1：淺埋暗挖雙線小間距隧道

(a)隧道開挖 (b)n=25-40 (c)n=25-44 (d)n=25-48(2)工況2：樁基距離隧道洞口一側(cè)較近隧道(不同折減步剪應(yīng)力)

(a)隧道開挖 (b)n=23-28 (c)n=23-32 (d)n=23-40(3)工況3：單樁位于隧道洞口上方隧道(不同折減步剪應(yīng)力)

(a)隧道開挖 (b)n=19-31 (c)n=19-35 (d)n=19-39(4)工況4：雙樁位于隧道洞口上方隧道(不同折減步剪應(yīng)力)

(a)n=3 (b)n=17 (c)n=20-15 (d)n=20-21(5)工況5：含有水平結(jié)構(gòu)面的隧道(不同折減步剪應(yīng)力)

(a)初始應(yīng)力平衡 (b)n=3 (c)n=5 (d)n=12-7(6)工況6：含有30°傾角結(jié)構(gòu)面的隧道(不同折減步剪應(yīng)力)

(a)初始應(yīng)力平衡 (b)n=16 (c)n=18-20 (d)n=18-25(7)工況7：含有45°傾角結(jié)構(gòu)面的隧道(不同折減步剪應(yīng)力)

(a)初始應(yīng)力平衡(b)n=2 (c)n=11-28 (d)n=11-49(8)工況8：含有不規(guī)則裂隙結(jié)構(gòu)面的隧道(不同折減步剪應(yīng)力)

強(qiáng)度折減發(fā)結(jié)合傳統(tǒng)有限元軟件評價(jià)隧道圍巖失穩(wěn)的判據(jù)相對較多，而采用真實(shí)破壞過程分析軟件RFPA-2D時(shí)，采用每一折減計(jì)算步中出現(xiàn)單元破壞數(shù)最多時(shí)的時(shí)刻作為巖體失穩(wěn)的臨界點(diǎn)。計(jì)算中將單元的強(qiáng)度以線性關(guān)系按一定比例逐漸折減，每折減一次，有限元計(jì)算程序進(jìn)行迭代計(jì)算，尋找外力與內(nèi)力的平衡，同時(shí)進(jìn)行破壞分析，直到隧道圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞。可以借助不同折減步中裂紋發(fā)展趨勢和單元破壞的數(shù)量判斷隧道圍巖是否失穩(wěn)破壞。

圖3(2～8)是“盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)隧道和結(jié)構(gòu)面含有節(jié)理、不規(guī)則裂隙的山體公路隧道”不同折減步時(shí)隧道圍巖的剪應(yīng)力圖。通過圖3(2～8)可以直觀地看到隧道圍巖的裂紋生成、擴(kuò)展并最終貫通的全過程。圖3(2)中折減步為25-48，25是總的折減步數(shù)，48代表第25步中的第48步，也就是“步中步”，“步中步”的概念是巖體強(qiáng)度在每一步進(jìn)行折減，通過應(yīng)力分析得到所有單元的應(yīng)力場，然后，根據(jù)破壞準(zhǔn)則來判斷單元是否破壞，假如該加載步有單元破壞，則按照以上的彈性本構(gòu)關(guān)系計(jì)算性能弱化之后的彈性模量，進(jìn)行在外部荷載不變的情況下的重新計(jì)算，以反映由于單元性能弱化及破壞所造成的應(yīng)力重分布，直到該加載步?jīng)]有新的單元破壞為止。然后巖體強(qiáng)度繼續(xù)進(jìn)行折減，進(jìn)入下一步的分析。

盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)的隧道斷面，由于橋基荷載的影響較大，隧道開挖前，已經(jīng)采取了“型鋼”加固措施(橋基荷載等效傳遞到地面，具體工藝可參考獻(xiàn)[13])，文中模擬是在加固之后。從圖3可以看出：橋基距離隧道洞口一側(cè)時(shí)，受橋基荷載影響較小，強(qiáng)度折減到n=25～40時(shí)，裂紋基本位于隧道洞口兩側(cè)45。區(qū)域，樁端附近區(qū)域出現(xiàn)裂紋較少，折減到n=25～48時(shí)，裂紋擴(kuò)展成型的大裂隙，隧道圍巖失穩(wěn)破壞；單樁位于隧道洞口上方時(shí)，受荷載影響略大，強(qiáng)度折減到n=23～40時(shí)，成型的裂紋貫通隧道；而雙樁位于隧道洞口上方時(shí)，受到荷載影響最大，強(qiáng)度折減到n=19～39時(shí)，裂紋貫通隧道，圍巖失穩(wěn)破壞。

巖體中含有水平結(jié)構(gòu)面隧道，由于隧道開挖的位置在兩條結(jié)構(gòu)面上面，在隧道與結(jié)構(gòu)面相交的位置，產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，這主要是由于結(jié)構(gòu)面的彈性模量和強(qiáng)度較低造成的，而結(jié)構(gòu)面與隧道的位置恰巧也是隧道形狀本身容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，裂紋貫通隧道，圍巖最終破壞的折減步為n=20～21。巖體中含有30°傾角結(jié)構(gòu)面隧道，巖體強(qiáng)度折減中隧道圍巖的漸進(jìn)破壞方式如圖3(6)。從圖3(6)可以看到：與含有水平結(jié)構(gòu)面的模型相同的是，在隧道與結(jié)構(gòu)面相交的位置，產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中，且由于結(jié)構(gòu)面左傾，在隧道左側(cè)拱肩部位同樣產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面距離隧道很近的結(jié)果，而在這一部位，由于受到豎直地應(yīng)力和水平地應(yīng)力的共同作用，隧道圍巖產(chǎn)生了拉破壞；最終隧道失穩(wěn)破壞的折減步為n=12～7。巖體中含有45°傾角結(jié)構(gòu)面隧道，巖體強(qiáng)度折減中隧道圍巖的漸進(jìn)破壞方式如圖3(7)。從圖3(7)可看出：含有45°傾角結(jié)構(gòu)面的最終破壞可以看出，與含有30°傾角結(jié)構(gòu)面類似，同樣是在隧道左側(cè)拱肩部位和右側(cè)拱腳部位產(chǎn)生了破壞。由此可以看出，在還有結(jié)構(gòu)面的隧道設(shè)計(jì)和施工中，沿著垂直于結(jié)構(gòu)面方向是應(yīng)該加強(qiáng)支護(hù)的危險(xiǎn)部位，對這些部位的支護(hù)對于增加隧道圍巖的穩(wěn)定性會(huì)具有明顯的作用；最終隧道失穩(wěn)破壞的折減步為n=18～25。含有復(fù)雜裂隙的隧道，無論是在開挖還是支護(hù)之后，隧道周圍的圍巖應(yīng)力沒有發(fā)生太大的變化。這是因?yàn)閹r體裂隙群基本設(shè)置在隧道的上方，而這些裂隙群承擔(dān)了上部巖體的應(yīng)力，即隧道上方的裂隙群發(fā)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，承擔(dān)了更多的地應(yīng)力，而減少了隧道圍巖的受力，但這并沒有提高圍巖的整體穩(wěn)定性，隧道圍巖最終破壞的折減步數(shù)為n=11～28。

綜上計(jì)算結(jié)果，各斷面安全系數(shù)匯總詳見表5。

表5 斷面安全系數(shù)匯總表

5 結(jié)論

(1)將有限元強(qiáng)度折減法引入到隧道工程中，是圍巖安全評價(jià)的一種新趨勢。結(jié)合傳統(tǒng)有限元軟件，可以借助圍巖位移、塑性區(qū)和計(jì)算不收斂作為判據(jù)；而結(jié)合RFPA-2D可以直觀通過不同折減步中裂紋發(fā)展趨勢和單元破壞的數(shù)量判斷隧道圍巖是否失穩(wěn)破壞，相比更簡單、易操作。

(2)通過weibull隨機(jī)分布函數(shù)實(shí)現(xiàn)巖體細(xì)觀單元的非均值性和缺陷，可以揭示不同工況下隧道圍巖的動(dòng)態(tài)漸進(jìn)破壞過程、基元相變損傷演變機(jī)理和巖體結(jié)構(gòu)面破壞特征，認(rèn)為隧道圍巖的宏觀破壞是由巖體非線性材料細(xì)觀單元的非均值性造成的。

(3)樁基荷載對隧道圍巖裂紋的發(fā)展和安全有不同程度的影響。單樁距離隧道斷面較遠(yuǎn)的斷面，影響較小，安全系數(shù)達(dá)到2；單樁和雙樁位于隧道洞口上方的斷面，影響較大，隧道安全系數(shù)較低，分別為1.19和1.14，采取加固措施后安全系數(shù)依次提高到1.85和1.61。

(4)巖體含有水平結(jié)構(gòu)面，30°、45°傾斜結(jié)構(gòu)面和不規(guī)則裂隙隧道斷面，由于結(jié)構(gòu)面和裂隙處的巖體強(qiáng)度較低，隧道安全系數(shù)較低，穩(wěn)定性較差，依次為1.52、1.32、1.56和1.28，施工中要采取相應(yīng)加固措施。

(5)通過隧道漸進(jìn)破壞過程模擬，得出隧道破壞以剪切破壞和拉破壞為主，還可以借助裂紋發(fā)展趨勢，預(yù)判隧道圍巖的安全穩(wěn)定性。

[1] 韓愛民,李建國,傅國利,等.基于有限差分強(qiáng)度折減法的多級邊坡破壞模式研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2007,15(6):784-788.

[2] 鐘志輝,楊光華,張玉成,等.基于局部強(qiáng)度折減法的土質(zhì)邊坡位移研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,8(Supp.1): 196-201.

[3] 趙尚毅,時(shí)衛(wèi)民,鄭穎人.邊坡穩(wěn)定性分析的有限元法[J].地下空間,2001,21(5):450-454.

[4] 趙尚毅,鄭穎人,鄧衛(wèi)東.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行巖質(zhì)滑坡穩(wěn)定性分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(2)：254-260.

[5] 鄭穎人,趙尚毅,鄧衛(wèi)東.巖質(zhì)滑坡破壞機(jī)制有限元數(shù)值模擬分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(12):1943-1952.

[6] 趙尚毅,鄭穎人,張玉芳.極限分析有限元法講座—Ⅱ:有限元強(qiáng)度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學(xué), 2005, 26(2): 332-336.

[7] 鄭穎人,葉海林,黃潤秋.地震邊坡破壞機(jī)制及其破裂面的分析探討[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009, 28(8):1714-1723.

[8] 鄭穎人,趙尚毅,張魯渝.用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析[J].中國工程科學(xué),2002,4(10):57-61.

[9] 張魯渝,鄭穎人,趙尚毅,等.有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法計(jì)算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報(bào),2003(1): 21- 27.

[10]李秀地，鄭穎人等.沉管海底隧道強(qiáng)度折減法分析探討[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013(10):1887-1889

[11]江阿蘭，張波，鄭繼強(qiáng). 地鐵淺埋暗挖快速施工研究和土體穩(wěn)定性分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2012:10-11

[12]張波,李航.復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道破壞過程研究[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2011:5-25.

[13]張波,商擁輝.基于盾構(gòu)下穿立交結(jié)構(gòu)圍巖整體穩(wěn)定性分析[D].大連:大連交通大學(xué),2012:5-80.

[14]張黎明,鄭穎人,王在泉,等．有限元強(qiáng)度折減法在公路隧道中的應(yīng)用探討[J].巖土力學(xué)，2007，28 (1):97 -102．

[15]唐春安,李連崇,李常文,等.巖土工程穩(wěn)定性分析RFPA強(qiáng)度折減法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2006，25(8): 1522-1530.

[16]朱萬成,唐春安,楊天鴻,等. 巖石破裂過程分析(RFPA 2D)系統(tǒng)的細(xì)觀單元本構(gòu)關(guān)系及驗(yàn)證[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(1):24-29.

[17]Zienkiewicz O C, Humpheson C, Lewis R W. Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics [J]. Geostechnique, 1975, 25(4):671-689.

[18]Jeong S，Kim B,Won J，et al. Uncoupled analysis of stabilizing piles in weathered slopes[J]. Computers and Geotechnics,2003,30(8)：671-682.

[19]Ausilio E, Conte E, Dente G. Seismic stability of reinforced slopes[J]. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2000, 19(3): 159-172.

[20]Manzari M T, Nour M A. Significance of soil dilatancy in slopestability analysis [J]. Journal of Geotechnical and Geoenviron-mental Engineering, ASCE, 2000, 126(1): 75-80.

[21]Ugai K. A method of calculation of total factor of safety of slopes by elaso-plastic FEM [J]. Soils and Foundations, 1989, 29(2):190-195.

Numerical Experiment Research on the Progressive Failure Process of the Surrounding Rock of the Tunnel under the Stochastic Medium Theory

Shang Yonghui1, 4, Li Hang2, Zhang Bo3and Fang Qiancheng4

(1.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.CuhkLuqiaoGroupCompany,Harbin150300,China; 3.ShenyangUrbanandRuralConstructionCommittee,Shenyang110013,China; 4.InstituteofArchitectureandEngineering,HuanghuaiUniversity,Zhumadian463000,China)

Thestrengthsubtractionisintroducedtosafetyevaluationoftunnelsurroundingrock,combiningwith“theshallowtunnelrapidconstructiondoublesmallspacingtunnels,wearinterchangestructureundertheshieldtunnelandthesurfaceofthestructurecontainingjoint,irregularfissureofmountainhighwaytunnel”engineeringexamples,usingrealdamageofmaterialanalysissoftwareRFPA-2D,thefiniteelementmodelofeachstrengthreductionfactorissetup.Viscoelasticartificialboundaryisadoptedtoeliminatetheinfluenceofboundaryconditionsonthecalculationprecisioninmodel,andthemodelachievesthemesoscopicstructureunitofsurroundingrockofthemeanandthedefectsofrandomdistributionbymeansofrandommediumtheory,italsorevealsthedynamicgradualdamageprocessofsurroundingrock,theprimitivephasechangedamageevolutionmechanismandcharacteristicsofrockmassstructuralplaneunderdifferentworkingconditions,themesoscopicdamageofsurroundingrockisthoughttobecausedbynonaverageofrocknonlinearmaterialmacroscopicunit,thecalculationresultsjudgedinfailureoftunnelsurroundingrockwithdifferentstepreductionincrackdevelopmenttrendsandthenumberofcelldamage,andcalculatessafetyfactorinthesenseofthesafetyreserve.Atthesametime,combiningABAQUSwithRFPA-2Dtwodifferentfiniteelementmodels,comparativelyanalyzingtherandommediumtheoryandcontinuumtheorycombiningstrengthsubtractionindifferencesoftheevaluationofsurroundingrockstability.

randommedium;strengthreduction;tunnelsurroundingrock;failureprocess;safetycoefficient

2014-12-06

2015-01-25

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11JJ3051)；湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目(13C307)

商擁輝(1982-)，男，河南汝南人，博士，主要從事地下結(jié)構(gòu)、軌道交通及地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估方面的研究.E-mail:mlpeter@163.com

張波(1979-)，男，遼寧營口人，博士后，高級工程師，從事地下結(jié)構(gòu)及軌道交通工程建設(shè)及管理方面的研究. E-mail:zbsyhfblw@aliyun.com

U45;X43

A

1000-811X(2015)03-0047-07

10.3969/j.issn.1000-811X.2015.03.010

商擁輝,李航,張波，等. 隨機(jī)介質(zhì)理論下隧道圍巖漸進(jìn)破壞過程數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(3):047-053. [Shang Yonghui, Li Hang, Zhang Bo,et al. Numerical experiment research on the progressive failure process of the surrounding rock of the tunnel under the stochastic medium theory[J].Journal of Catastrophology, 2015,30(3)：047-053.]