不同埋深條件下直墻拱頂巷道破裂的數(shù)值試驗

田志超，唐春安,2，劉業(yè)嬌，李志兵

(1.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.大連理工大學巖石破裂與失穩(wěn)研究中心，遼寧 大連 116024；3.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；4.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責任公司，安徽 淮南 232001)

深部圍巖巷道的破裂化現(xiàn)象能夠反映深部巖體的非線性力學特性和工程響應(yīng)的動態(tài)特征，在深部地下空間開發(fā)中起著相當重要的作用。鑒于此，國內(nèi)外許多學者，如ADAMS等[1]、SHEMYAKIN等[2]、李術(shù)才等[3]、陳旭光等[4]、周小平等[5-6]、唐春安等[7]諸多國內(nèi)外學者分別從理論推導、現(xiàn)場監(jiān)測、模型試驗、數(shù)值模擬等方面對巷道圍巖破裂化現(xiàn)象進行了研究。特別是袁亮等[8]、王漢鵬等[9-10]在對深部巷道模型圍巖分區(qū)破裂做了大量的物理試驗研究，其中對于平面應(yīng)變條件下，直墻拱頂巷道開洞荷載大小不同進行了對比試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)巷道圍巖破裂具有一定的共性，例如開洞荷載較小的巷道(可視為淺部圍巖巷道)，開洞后沒有產(chǎn)生破壞，對于開洞荷載較大的巷道(視為深部巷道模型)，開洞時的破壞位置均是在左墻角和右墻角處產(chǎn)生平行于巷道軸線的裂縫。但同時隨著荷載的增大發(fā)現(xiàn)最大荷載與開洞荷載比值越大，模型體表面破壞程度越輕。

然而，盡管對于深部巖體破裂化的研究取得了一定成果，但其研究仍處于初級階段，還存在以下不足：淺部巖體的破壞準則并不能很好的應(yīng)用于深部巖體，對于深部巖體破壞準則的研究和應(yīng)用還不夠深入；由于地質(zhì)條件的復雜性，物理試驗要完全模擬實際的地質(zhì)條件，工作量巨大，耗費大量的人力和物力，而數(shù)值模擬軟件能夠發(fā)揮它的優(yōu)越性。

因此，為了深入探討不同埋深條件下直墻拱形巷道圍巖破壞機理，本文在文獻[8]～[10]物理試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上利用RFPA2D軟件對不同埋深巷道圍巖進行數(shù)值模擬試驗研究[11]，進一步豐富深部巖體破裂方面的有關(guān)研究成果，更好地指導深部地下空間的開發(fā)和應(yīng)用工作。

1 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ腕w建立

為了比較不同埋深條件下巷道圍巖受力變形的異同點，采用與實體相同的力學參數(shù)進行計算，模擬巷道圍巖的破裂形態(tài)以及應(yīng)力應(yīng)變。

1.1 模型參數(shù)及邊界荷載

巖石力學參數(shù)假定符合韋伯分布，巖石破裂采用摩爾-庫侖強度準則判斷[12]。相變準則控制參數(shù)見表1，模型體力學參數(shù)見表2。

表1 相變準則控制參數(shù)Table 1 Control parameters of phase transition criterion

表2 兩種模型的力學參數(shù)Table 2 The mechanical parameters of the two models

1.2 計算模型網(wǎng)格劃分及加載

為了減少建模時間和計算結(jié)果的差異性，將兩種不同埋深巷道建立一種計算模型，只是在加載過程中改變加載力，體現(xiàn)巷道圍巖的不同埋深。另外為了消除邊界對巷道圍巖破壞的影響，建立100 m×100 m的方形模型體，巷道拱高1.5 m，巷道跨度3 m，巷道尺寸見圖1。

圖1 模型巷道尺寸Fig.1 Model roadway size

為了提高計算精確度，將模型體劃分為300×300個單元格，見圖2。模型體加載為豎直方向和水平方向加載，模型計算邊界加載條件見圖3。

2 數(shù)值試驗計算結(jié)果分析

2.1 巷道圍巖破壞對比分析

2.1.1 巷道圍巖最大剪應(yīng)力破壞情況分析

通過圖4能夠發(fā)現(xiàn)不同埋深兩種巷道圍巖的破壞異同點。相同特點：一是在平面應(yīng)變條件下，兩種巷道圍巖均發(fā)生了破壞，而且圍繞巷道兩幫和拱頂呈環(huán)狀型破壞；二是隨著荷載的增大，墻腳和拱頂部位剪切應(yīng)力值超過極限剪切應(yīng)力值，造成巷道會在拱腳、側(cè)墻及墻角這一區(qū)域產(chǎn)生壓剪型的滑移線狀破壞。

圖2 模型體網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of model body

圖3 模型體邊界加載條件Fig.3 Load condition of model body boundary

不同點是在平面應(yīng)變條件下，盡管兩種巷道圍巖均發(fā)生了破壞，但M2模型的破壞區(qū)域要大于M1模型破壞區(qū)域；M2模型的拱頂和底板出現(xiàn)破壞，說明隨著巷道埋深的增加，巷道圍巖的破壞程度也增大。

2.1.2 巷道圍巖主應(yīng)力破壞情況分析

圖5顯示了兩種不同埋深巷道圍巖的主應(yīng)力情況。兩種巷道圍巖的破壞均從巷道兩幫開始，逐漸向拱頂和底部擴展。隨著荷載的繼續(xù)增加，在巷道圍巖破壞的左右兩側(cè)均出現(xiàn)了最大主應(yīng)力，即破壞可能性小的區(qū)域，但是破壞裂縫有從巷道的拱腳和墻角處繼續(xù)向深部擴展的趨勢，有繞過最大主應(yīng)力區(qū)域的可能性，從而形成了一個環(huán)狀區(qū)域，即巷道分區(qū)破裂現(xiàn)場形成。

2.1.3 巷道圍巖聲發(fā)射情況分析

圖6為M1和M2模型的聲發(fā)射情況，圓圈和點狀的圖案代表巷道圍巖體受到拉應(yīng)力作用。

結(jié)合圖4和圖5，在圖6中能夠發(fā)現(xiàn)巷道圍巖的破壞均由拉應(yīng)力造成。隨著荷載的增加，M1模型聲發(fā)射主要集中在巷道的拱腳、墻角和兩幫，巷道的拱頂有零星聲發(fā)射出現(xiàn)，說明M1模型圍巖的破壞主要體現(xiàn)在巷道兩幫和拱腳墻角處。M2模型除了M1模型描述的特征外，在拱頂上方和底部均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，而且巷道兩幫、拱腳和墻角處的拉應(yīng)力范圍也比M1模型大。通過圖6能夠得出巷道圍巖的破壞隨著深部的增加巷道的拉應(yīng)力范圍也在擴大。

圖4 兩種模型巷道圍巖最大剪應(yīng)力破壞Fig.4 Maximum shear stress damage of surrounding rock in two kinds of model roadway

圖5 兩種模型巷道圍巖主應(yīng)力破壞Fig.5 Principal stress damage of surrounding rock in two kinds of model roadway

圖6 兩種模型巷道圍巖聲發(fā)射Fig.6 Acoustic emission from the surrounding rock of two model tunnels

2.2 巷道圍巖應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

提取兩種模型三個不同部位進行應(yīng)變對比分析，即巷道的拱頂、側(cè)墻和底板三個部位。所有應(yīng)變受拉為正，受壓為負。圖7～9中的虛線為應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合曲線，r/D為測點距洞壁距離r與巷道寬度D的比值，εr為徑向應(yīng)變，εθ為環(huán)向應(yīng)變，應(yīng)變單位均為με。

2.2.1 巷道圍巖拱頂徑向和環(huán)向應(yīng)變分析

從圖7(a)可以看出M1模型和M2模型應(yīng)變值在距拱頂r/D=0.4處交叉，M1模型應(yīng)變曲線逐漸平緩，應(yīng)變值趨于穩(wěn)定，而M2模型應(yīng)變值繼續(xù)增大。另外M2模型拉應(yīng)變區(qū)域要比M1模型拉應(yīng)變區(qū)域大，即M1模型在距拱頂r/D=0.1范圍內(nèi)進入徑向拉應(yīng)變狀態(tài)，拉應(yīng)變值較小，M2模型在距拱頂r/D=0.2范圍內(nèi)進入拉應(yīng)變狀態(tài)。圖7(b)顯示了拱頂?shù)沫h(huán)向應(yīng)變情況，可以看出M1模型拱頂環(huán)向應(yīng)變值小于M2模型對應(yīng)應(yīng)變值。M1模型在距洞壁環(huán)向應(yīng)變沒有出現(xiàn)進入塑性區(qū)的調(diào)整；M2模型在距洞壁r/D=0.6范圍內(nèi)應(yīng)變出現(xiàn)進入塑性區(qū)的調(diào)整。

2.2.2 巷道圍巖側(cè)墻徑向和環(huán)向應(yīng)變分析

巷道圍巖側(cè)墻徑向和環(huán)向應(yīng)變對比分析見圖8。

圖7 巷道圍巖拱頂應(yīng)變數(shù)據(jù)對比Fig.7 Comparison of strain data on surrounding rock arches in roadway

圖8 巷道圍巖側(cè)墻應(yīng)變數(shù)據(jù)對比Fig.8 Comparison of strain data on surrounding rock sidewall in roadway

圖8顯示了巷道側(cè)墻圍巖徑向應(yīng)變基本處于拉應(yīng)變狀態(tài)，而圍巖環(huán)向應(yīng)變均為壓應(yīng)變。圖8(a)顯示了M2模型圍巖徑向應(yīng)變要大于M1模型圍巖的徑向應(yīng)變。隨著距離巷道壁的距離增大，二者圍巖由拉應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，其中M2模型圍巖拉應(yīng)變區(qū)域(r/D<0.9)要大于M1模型圍巖拉應(yīng)變區(qū)域(r/D<0.6)，說明M2模型圍巖破壞區(qū)域要大于M1模型圍巖區(qū)域，結(jié)合圖5和圖6可得出此結(jié)論。另外巷道圍巖進入壓應(yīng)變區(qū)域以后，二者的徑向應(yīng)變變化趨勢近乎一致。圖8(b)為環(huán)向應(yīng)變擬合曲線，首先從圖中可以看出M1模型側(cè)墻環(huán)向壓應(yīng)變小于M2模型對應(yīng)值。通過上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)M2模型圍巖應(yīng)變值比較分散，淺部相對較為集中。M1模型在距側(cè)墻洞壁r/D=1.0范圍外，環(huán)向應(yīng)變趨于穩(wěn)定；而M2模型在至側(cè)墻洞壁r/D=1.6處，環(huán)向應(yīng)變也沒有趨于穩(wěn)定，這說明M2模型開挖造成的擾動范圍較大。

2.2.3 巷道圍巖底板徑向和環(huán)向應(yīng)變分析

巷道圍巖底板徑向和環(huán)向應(yīng)變對比分析見圖9。圖9中顯示巷道圍巖無論是在淺部還是在深部絕大部分處于壓應(yīng)變狀態(tài)。在圖9(a)中M2模型有一部分徑向應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，這是由于M2模型荷載較大造成的，但是從圖中也能夠看到拉應(yīng)變區(qū)域很小(r/D<0.15)，說明底板的破壞只集中在底部附近區(qū)域，結(jié)合圖5和圖6也能反映此問題。反觀圖9(b)環(huán)向應(yīng)變值擬合曲線，M1模型底板圍巖數(shù)據(jù)比較分散，而且在圍巖體內(nèi)部應(yīng)變值較大。M2模型底板圍巖擬合曲線呈直線分布，而且數(shù)據(jù)均勻分布在曲線周圍，特別是在巷道底部附近區(qū)域(r/D<0.6)，數(shù)據(jù)高度集中，說明環(huán)向應(yīng)變是巷道圍巖底板發(fā)生破壞的主要原因。

圖9 巷道圍巖底板應(yīng)變數(shù)據(jù)對比Fig.9 Comparison of strain data on surrounding rock floor in roadway

3 結(jié) 論

1) 通過數(shù)值試驗發(fā)現(xiàn)M1模型和M2模型巷道圍巖的破壞初期規(guī)律基本相同，但是隨著巷道埋深的增大，M2模型巷道圍巖拱頂和底板也出現(xiàn)了不同程度的破壞。巷道圍巖破壞均是從巷道圍巖拱腳和墻角部位開始，由于這些部位隨著荷載的增大，其剪切應(yīng)力也變大，當荷載超過一定值后，圍巖先從這些部位發(fā)生壓剪型的滑移線狀破壞。另外結(jié)合聲發(fā)射模擬試驗結(jié)果也能夠發(fā)現(xiàn)巷道圍巖的拱腳和墻角出現(xiàn)了拉應(yīng)力。所以無論是M1模型還是M2模型，都應(yīng)對巷道兩幫和拱腳處進行加強支護。

2) 通過對巷道圍巖的徑向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變數(shù)據(jù)進行擬合后發(fā)現(xiàn)，圍巖內(nèi)的徑向應(yīng)變是M1模型圍巖和M2模型圍巖破壞的主要原因。另外巷道圍巖的環(huán)向應(yīng)變值比較分散，規(guī)律性差，而且環(huán)向應(yīng)變值均為壓應(yīng)變，所以將測得應(yīng)變值擬合后發(fā)現(xiàn)環(huán)向應(yīng)變對模型巷道的破壞影響微小。

3) 該數(shù)值試驗結(jié)果與物理試驗結(jié)果具有一致性，說明該軟件可進行大量的數(shù)值試驗研究，同時該研究方法豐富了深部巖體破裂方面的研究手段，可以更好地指導深部地下空間的開發(fā)和應(yīng)用工作。