基于加載與卸荷理論的某地下廠房圍巖變形穩(wěn)定分析對比研究

程 壯 董艷華 黨 莉 宛良朋

（1.三峽大學(xué) 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌 443002）

在水電建設(shè)中，常常需要開挖邊坡和地下洞室，對于邊坡，其力學(xué)條件主要表現(xiàn)為卸載，對于地下洞室，在徑向表現(xiàn)為卸載，切向表現(xiàn)為加載，與一般的加載力學(xué)條件不同［1－2］.采用常規(guī)的加載巖體力學(xué)方法對上述工程進行計算分析時，研究成果與實際的監(jiān)測成果有較大差異.巖體在未受到擾動時，處于平衡狀態(tài)，當巖體開挖后，巖體將發(fā)生應(yīng)力重新調(diào)整，形成二次應(yīng)力場，巖體將產(chǎn)生卸荷.理論和室內(nèi)試驗證明［1－4］，開挖卸荷理論能更真實地反映巖體在開挖過程中巖體的力學(xué)本質(zhì)和變形機制.鑒此，本文以某水電站地下廠房開挖為例，采用有限元單元法，分別應(yīng)用加載與卸荷理論對地下廠在自然工況、開挖、卸荷和加固工況下的變形進行了計算分析，并與監(jiān)測結(jié)果進行了對比.經(jīng)比較可知，應(yīng)用卸荷巖體力學(xué)理論對地下廠房進行分析研究更加符合實際.

1 開挖卸荷模擬

在數(shù)值分析中，卸荷問題分2步進行：第1步，求解卸荷前的應(yīng)力應(yīng)變場（初始應(yīng)力應(yīng)變場），第2步，計算卸荷應(yīng)力（可以看作一種拉應(yīng)力）作用下的應(yīng)力應(yīng)變場.這樣，卸荷后的應(yīng)力應(yīng)變場就可以看成這兩個應(yīng)力應(yīng)變場的疊加［5］.如圖1所示.

圖1 卸荷應(yīng)力分解圖

式中，σi和ui分別為第i次卸荷后的應(yīng)力場和變形場；σΔi和uΔi分別表示第i次卸荷應(yīng)力作用下的應(yīng)力場和變形場.

2 工程概況

2.1 工程地質(zhì)條件

廠區(qū)樞紐工程所在地區(qū)出露地層為中三迭統(tǒng)鹽塘組地層.地下廠房置于微風化狀的灰綠色條帶狀云母大理巖和灰黑色中厚層細晶大理巖之中.巖石均為微風化狀，巖體完整性以一般為主，局部較完整或較破碎～破碎.斷裂內(nèi)充填物多為碎裂巖、角礫巖或巖片、巖屑，部分存在斷層泥及次生黃泥，主要以巖塊巖屑型和巖塊巖屑夾泥型為主.地下主廠房區(qū)無Ⅰ、Ⅴ類圍巖，主要以Ⅲ類圍巖為主，占總洞長的83.5%；部分為Ⅱ類圍巖，占14.1%；少量為Ⅳ類圍巖，占總洞長的2.4%.廠房圍巖基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性較差，但經(jīng)支護處理后，可以滿足建造大型地下洞室的地質(zhì)條件.

2.2 地層材料與加固方案

廠右0＋108.5（3－3剖面）斷面圍巖體地層圖見圖2，模型的上邊界線為地面線，兩側(cè)邊界與山體相連.為了減小開挖后巖體變形，保證圍巖體的穩(wěn)定性，施工中采用了錨桿支護和錨索加固的方案，圖3為巖體支護剖面圖.

3 有限元數(shù)值計算分析

3.1 計算模型

由于洞室軸向尺寸相對于其截面尺寸大得多，計算中可以看作平面應(yīng)變問題處理.對3－3剖面，根據(jù)剖面地層圖建立二維有限元計算模型，采用四邊形和三角形網(wǎng)格，單元組58個，共計單元18 773個，節(jié)點18 609個.選用 Mohr－Coulomb彈塑性材料.模型單元分區(qū)圖如圖4所示.

圖4 模型單元分區(qū)圖

3.2 計算工況

分別應(yīng)用加載力學(xué)原理和卸荷力學(xué)原理進行了有限元數(shù)值計算.運用加載原理計算時，不考慮開挖卸荷對巖體力學(xué)參數(shù)的影響，分自然工況，開挖工況和加固工況；基于卸荷原理計算分自然工況，開挖工況，卸荷工況和加固工況.

1）自然工況，計算洞室在開挖之前的初始應(yīng)力應(yīng)變場.

2）開挖工況，根據(jù)地下廠房開挖順序，采用加載巖體力學(xué)參數(shù)，模擬地下廠房每一級開挖施工.

3）卸荷工況，基于卸荷力學(xué)原理計算時，在每一級開挖中，為模擬巖體開挖卸荷導(dǎo)致的質(zhì)量劣化、材料參數(shù)降低等巖體損傷，計算中采用卸荷巖體力學(xué)參數(shù).

4）加固工況，在開挖工況或卸荷工況的基礎(chǔ)上，為模擬巖體開挖加固的效果，應(yīng)用等效參數(shù)模擬錨桿加固效應(yīng)，用Truss單元模擬預(yù)應(yīng)力錨索.

3.3 計算參數(shù)

3.3.1 基于加載理論計算參數(shù)

基于加載理論進行計算時，不考慮卸荷對巖體質(zhì)量的影響，選取的初始力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 初始力學(xué)參數(shù)

3.3.2 基于卸荷理論計算參數(shù)

根據(jù)廠址的地質(zhì)勘測資料，確定在洞室開挖中，距洞室開挖面3m和6m范圍內(nèi)圍巖體分別為強卸荷區(qū)和弱卸荷區(qū)［2］，卸荷分區(qū)見圖5，卸荷區(qū)參數(shù)見表2.

表2 卸荷區(qū)巖體參數(shù)

圖5 剖面卸荷區(qū)分布圖

3.4 計算結(jié)果分析

1）分別采用加載力學(xué)原理與卸荷力學(xué)原理對地下廠房的施工過程進行了模擬，取出各級開挖加固工況位移計算值進行比較，并與位移監(jiān)測值進行對比.限于篇幅，僅選取多點位移計Mcf＋108.5－1的4個測點C1，C2，C3和C4的位移進行比較.剖面的監(jiān)測點布置圖見圖6.測點的位移對比圖見圖7～10.

圖6 剖面位移監(jiān)測布置示意圖

由圖7～10可知，基于兩種不同的力學(xué)原理計算的測點位移變化趨勢與位移監(jiān)測值變化趨勢基本一致，相比之下采用卸荷原理計算出的位移值與監(jiān)測值更符合.計算值與監(jiān)測值相比偏小，這可能與未考慮地應(yīng)力及滲流作用有關(guān).

2）采用兩種不同力學(xué)原理研究地下廠房開挖，加固過程.圖11～14為主變洞一級開挖后塑性區(qū)分布情況圖.其中圖11為基于加載原理計算的塑性區(qū)圖；圖12～14分別為基于卸荷原理計算的卸荷工況，錨桿加固工況和錨索加固工況塑性區(qū)圖.從塑性區(qū)的演化規(guī)律可以看出，卸荷理論考慮了巖體開挖卸荷后巖體質(zhì)量的劣化，計算出的塑性區(qū)要比加載力學(xué)理論計算出的大些..分別比較了采用錨桿加固和錨索加固后的塑性區(qū)范圍，說明錨索加固效果較好.

4 結(jié) 語

建立二維有限元模型，分別運用加載巖體力學(xué)理論與卸荷巖體力學(xué)理論研究了地下廠房在施工過程中圍巖的位移和塑性區(qū)演化特性，并將位移計算值與監(jiān)測值進行了比較，結(jié)果表明：1）基于卸荷巖體力學(xué)理論研究地下廠房開挖圍巖的變形問題，比加載巖體力學(xué)理論更接近監(jiān)測值.2）卸荷巖體力學(xué)理論考慮到了地下廠房開挖圍巖質(zhì)量劣化的影響，計算的塑性區(qū)要大于常規(guī)加載力學(xué)方法，更加接近工程實際.3）設(shè)計采用錨索加固的方案，有效地控制了塑性區(qū)的擴展，發(fā)揮了較好的加固效果.

［1］ 李建林.卸荷巖體力學(xué)理論與應(yīng)用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［2］ 哈秋聆，李建林，張永興，等.節(jié)理巖體卸荷非線性巖體力學(xué)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

［3］ 張黎明，王在泉，王建新.巖石卸荷破壞試驗研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報，2006，38（3）：34－37.

［4］ 趙二平，李建林.卸荷區(qū)巖體屈服準則［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2011，44（2）：221－225.

［5］ 李建林.卸荷巖體力學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.