考慮應(yīng)變軟化的高速公路軟巖隧道圍巖變形分析

鄧博團(tuán)，蘇三慶,2，任建喜，侯俊峰，李金華

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

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考慮應(yīng)變軟化的高速公路軟巖隧道圍巖變形分析

鄧博團(tuán)1，蘇三慶1,2，任建喜1，侯俊峰1，李金華1

(1.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

軟巖隧道具有變形大流變時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，采用何種模型模擬軟巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在數(shù)值計(jì)算中至關(guān)重要。通過數(shù)值模擬和三軸試驗(yàn)對(duì)比，確定以駝峰曲線函數(shù)表達(dá)式描述軟巖的應(yīng)變軟化材料特性關(guān)系，結(jié)合FLAC軟件采用應(yīng)變軟化模型對(duì)三種開挖方式進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，確定最優(yōu)開挖方式。然后針對(duì)軟巖圍巖變形進(jìn)行了理想彈塑性模型和應(yīng)變軟化模型的分析對(duì)比。將軟巖應(yīng)變軟化本構(gòu)模型得出的圍巖變形與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其二者值能夠較好吻合，因此采用應(yīng)變軟化模型計(jì)算軟巖隧道變形是可取的。

軟巖；應(yīng)變軟化；公路隧道；圍巖變形

開挖深埋軟巖隧道施工難度較大，且經(jīng)常發(fā)生擠壓性大變形以及局部塑性變形等問題，對(duì)支護(hù)施工造成一定困難，以至洞室出現(xiàn)失穩(wěn)破壞事故，對(duì)工程建設(shè)及正常使用產(chǎn)生眾多不利影響[1]。針對(duì)軟巖所具有的特性，大量學(xué)者對(duì)其做了很多研究，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的正確與否，很大程度上依賴于所采用的適合軟巖的本構(gòu)模型，因此采用與軟巖材料相適應(yīng)的模型對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬至關(guān)重要，應(yīng)變軟化是指材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的偏應(yīng)力(主應(yīng)力差)隨軸向應(yīng)變的增加而降低的現(xiàn)象，很多巖土介質(zhì)在受力變形及擾動(dòng)情況下表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變軟化行為。閆金安等[2]根據(jù)巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和巖石材料的脆性特性,建立了理想的應(yīng)變軟化模型,并提出了相應(yīng)的加載準(zhǔn)則。楊超等[3]研究了三軸試驗(yàn)條件下圍壓對(duì)軟巖峰值強(qiáng)度之后的軟化特性的影響規(guī)律。周家文等[4]采用應(yīng)變軟化模型對(duì)兩家人水電站深埋地下洞室群進(jìn)行計(jì)算分析，并分析了深埋洞室群開挖穩(wěn)定性。王水林等[5-6]基于彈塑性理論給出了應(yīng)變軟化過程模擬方法及其相應(yīng)的有限元計(jì)算程序，進(jìn)一步分析了應(yīng)變軟化模型對(duì)應(yīng)的隧道徑向變形沿洞軸方向的分布特征，并與已有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到的分布規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比。王軍祥等[7]結(jié)合所編程序分析了不同本構(gòu)模型對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，對(duì)比了試驗(yàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)變軟化模型計(jì)算結(jié)果，應(yīng)變軟化本構(gòu)模型能夠較好地模擬峰值強(qiáng)度之后軟巖的軟化特性及破壞機(jī)制。

本文通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)M和三軸試驗(yàn)對(duì)比，確定以駝峰曲線函數(shù)表達(dá)式描述軟巖的應(yīng)變軟化材料特性關(guān)系，結(jié)合FLAC軟件采用應(yīng)變軟化模型模擬計(jì)算了三種不同開挖方式對(duì)軟巖隧道變形的影響，研究結(jié)果表明施工順序?qū)鷰r的穩(wěn)定影響很大，進(jìn)而確定了最優(yōu)開挖方式。并將各關(guān)鍵部位的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移值與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用應(yīng)變軟化模型計(jì)算的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)吻合很好，因此采用應(yīng)變軟化模型模擬軟巖隧道的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)是可取的。

1　軟巖應(yīng)變軟化模型確定

軟巖是一種強(qiáng)度介于堅(jiān)硬巖石及土的一種地質(zhì)材料，國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)將單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)低于20MPa的巖石歸為軟巖，如泥巖砂巖及粉砂巖等[8-9]。選用駝峰曲線作為軟巖塑性之后的強(qiáng)化函數(shù)，內(nèi)摩擦角φ為強(qiáng)化參數(shù)。駝峰曲線的相關(guān)參數(shù)確定如圖1所示。

圖1駝峰曲線參數(shù)確定示意圖

駝峰曲線函數(shù)表達(dá)式為[10-11]：

(1)

三軸試驗(yàn)中軟巖內(nèi)摩擦角隨軸向應(yīng)變的變化情況及三軸試驗(yàn)數(shù)值模擬的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖2所示，可以看出駝峰曲線能夠較好地模擬云母石英片巖及絹云母砂質(zhì)板巖三軸試驗(yàn)過程中內(nèi)摩擦角的變化。通過駝峰曲線的擬合可以確定強(qiáng)化函數(shù)中各參數(shù)的取值，如表1所示。

圖2　三軸試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比較

通過對(duì)軟巖常規(guī)三軸試驗(yàn)(應(yīng)力狀態(tài)σ1>σ2=σ3)的模擬，說明駝峰曲線能夠模擬軟巖的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

2　工程概況及計(jì)算分析

馬鞍子梁隧道為雙洞(左右兩線隧道)分離式隧道。兩座隧道按長(zhǎng)度劃分均為特長(zhǎng)隧道，襯砌形式為復(fù)合式，隧道最大埋深約370 m。其中V級(jí)圍巖(軟巖)占隧道總長(zhǎng)的11.3%，所占比例較大，因此如何較為準(zhǔn)確的模擬在開挖過程中隧道的變形，為實(shí)際工程應(yīng)用提供依據(jù)，顯得格外重要。

2.1計(jì)算模型建立與數(shù)值分析研究

圖3是隧道臺(tái)階法施工時(shí)臺(tái)階留設(shè)與開挖示意圖，為了分析臺(tái)階長(zhǎng)度對(duì)掌子面的約束效應(yīng)，采用FLAC軟件對(duì)馬鞍子梁隧道Ⅴ級(jí)圍巖條件下采用上下臺(tái)階及上下臺(tái)階留核心土法的不同下臺(tái)階長(zhǎng)度和不同核心土長(zhǎng)度下的施工方案進(jìn)行二維數(shù)值模擬計(jì)算。

圖3臺(tái)階留設(shè)與開挖示意圖

(1)模型邊界條件及影響范圍

水平向位移約束模型左右邊界；自由邊界為地表面；受垂向位移約束模型地層下部邊界。根據(jù)圣維南原理，模型的寬度或高度的1/10為開挖洞室寬度或高度，B為135 m，H為95 m，厚7 m。

支護(hù)材料的物理力學(xué)性能見表2。

表2　支護(hù)材料物理力學(xué)性能表

(2)初始應(yīng)力狀態(tài)模擬

2.2隧道開挖方式比選

采用應(yīng)變軟化模型計(jì)算不同開挖方式隧道各關(guān)鍵點(diǎn)位移值，如表3所示。

圖4　數(shù)值計(jì)算模型

由表3可知，不同工況計(jì)算的隧道各關(guān)鍵點(diǎn)位移值不同，上下臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)法與留核心土法開挖相比，隧道各關(guān)鍵點(diǎn)的位移值變化較小。綜合考慮變形、施工難易程度以及經(jīng)濟(jì)情況，最后選擇以留核心土的方式開挖隧道。

2.3理想彈塑性模型與應(yīng)變軟化模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

分別采用應(yīng)變軟化模型和理想彈塑性模型計(jì)算軟巖隧道豎向和水平向的位移云圖見圖5～圖8。

圖5　理想彈塑性模型計(jì)算的隧道豎向位移云圖

圖6　理想彈塑性模型計(jì)算的隧道水平向位移云圖

圖7　應(yīng)變軟化模型計(jì)算的隧道豎向位移云圖

圖8應(yīng)變軟化模型計(jì)算的隧道水平向位移云圖

由圖5和圖7對(duì)比可知，采用應(yīng)變軟化模型計(jì)算隧道的最大豎向位移18.01 mm，較采用理想彈塑性模型計(jì)算隧道的最大豎向位移14.02 mm大28.46%，但兩種不同模型對(duì)隧道水平向位移影響相對(duì)較小，原因在于應(yīng)變軟化模型比理想彈塑性模型更能夠反映軟巖的應(yīng)變軟化特性。

2.4圍巖變形規(guī)律監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

由K35+110斷面圍巖收斂與時(shí)間關(guān)系曲線(圖9)可知，因左右線巖性略有不同，故右線周邊收斂略快于左線周邊收斂，其右線圍巖周邊收斂規(guī)律是：前22 d變形速率幅度大，22 d～42 d變形速率趨緩，發(fā)展到第57 d，圍巖穩(wěn)定，右線最大收斂值為13.53 mm；左線圍巖周邊收斂規(guī)律是：前18 d左右收斂速率幅度大，18 d～42 d收斂速率趨于穩(wěn)定，發(fā)展到第57 d，圍巖穩(wěn)，其最大收斂值為15.47 mm。

圖9K35+110周邊收斂與時(shí)間關(guān)系曲線

由K35+110斷面拱頂沉降與時(shí)間關(guān)系曲線(圖10)可知，因左右線巖性差異，右線拱頂沉降規(guī)律是：前11 d沉降速率大，11 d～30 d沉降速率變小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。左線拱頂沉降規(guī)律是：前18 d沉降速率大，不穩(wěn)定，18 d～46 d沉降速率變小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，監(jiān)測(cè)觀察到56 d，左右線圍巖均處于穩(wěn)定狀態(tài)，右線最大變形值為26.43 mm左線最大變形值為29 mm。

圖10K35+110拱頂下沉與時(shí)間關(guān)系曲線

拱腰水平向變形值為10.03 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值為12.54 mm，相差20.01%。拱頂垂直下沉變形值為18.01 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)值為20.02 mm，相差10.04%。通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值與二維數(shù)值分析所提取的周邊收斂、拱頂下沉值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值與數(shù)值分析結(jié)果比較吻合，因此說明采用應(yīng)變軟化模型計(jì)算軟巖隧道變形的方法是可取的。

3　結(jié)　論

通過本文研究可以得到以下主要結(jié)論：

(1) 通過數(shù)值模擬試驗(yàn)，確定以駝峰函數(shù)曲線作為軟巖塑性之后的強(qiáng)化函數(shù)，能夠較好反映軟巖材料應(yīng)變軟化力學(xué)特性。

(2) 不同開挖方式對(duì)軟巖隧道變形影響較大，對(duì)不同工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)留核心土法的開挖方式，對(duì)軟巖隧道變形影響最小。

(3) 通過比較應(yīng)變軟化模型和傳統(tǒng)理想彈塑性模型的軟巖隧道數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，應(yīng)變軟化模型計(jì)算的隧道變形要更大，并且豎向位移表現(xiàn)的更為明顯，這是因?yàn)閼?yīng)變軟化模型比理想彈塑性模型更能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)軟巖在受力變形過程中的峰值與殘余強(qiáng)度。

(4) 最后將應(yīng)變軟化模型計(jì)算的圍巖變形值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比得出，其二者能夠較好吻合，因此采用應(yīng)變軟化模型計(jì)算的圍巖變形能夠較為準(zhǔn)確地反映軟巖隧道開挖過程中的變形，對(duì)同類工程具有一定的參考價(jià)值。

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The Strain Softening Simulation and Application in Expressway Tunnel under Soft Rock Geological Condation

DENG Botuan1, SU Sanqing1,2, REN Jianxi1, HOU Junfeng1, LI Jinhua1

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,Xi'anUniversityofScienceandTechnology,Xi'an,Shaanxi710054,China; 2.SchoolofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China)

The soft rock tunnel has many characteristics such as large deformation and long rheological time. Choosing the right model to simulate stress-strain relationship of soft rock is very important. In this research, by comparing the numerical simulation and triaxial test, we determined to use the hump curve function expression to describe the strain softening material properties of soft rock. FLAC software was adopted to develop the strain softening model three excavation method for the numerical simulation analysis, it can be found that different excavation ways have great influence on the stability of surrounding rock, determination optimal excavation method. Comparing the numerical simulation results and the measured values the results of strain softening model agree well with field observation data. Thus using the strain softening model to simulate the stress field and displacement field of soft rock tunnel is feasible. This paper could provide valuable information to similar engineering design.

soft rock; strain softening; expressway tunnel; deformation of surrounding rock

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.004

2016-04-03

2016-04-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478383)

鄧博團(tuán)(1981—)，男，陜西乾縣人，博士，工程師，主要從事巖土工程方面教學(xué)和科研工作。E-mail:345312719@qq.com

U452

A

1672—1144(2016)04—0017—04