圓形洞室模型在雙軸加載下的力學(xué)特征分析

李雪迎， 任紅磊， 胡寶文，2*

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院， 邯鄲 056038; 2.河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 邯鄲 056038； 3. 城市地下空間工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

隨著水利工程行業(yè)的不斷發(fā)展，地下洞室的開挖與建設(shè)成為了其中重要的組成部分。洞室作為水利工程建設(shè)的重要組成部分，其圍巖的穩(wěn)定性越來越受到人們的重視，洞室的幾何特征對(duì)巖體裂紋的擴(kuò)展以及破壞形式都有著不同形式的影響。通過雙向伺服加載的方式對(duì)圓形斷面洞室圍巖的力學(xué)行為進(jìn)行深入研究，對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、安全開挖、洞室支護(hù)等活動(dòng)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值與理論意義。

米春榮等[1]通過物理試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，得到了圓形隧洞與直墻圓拱形隧洞等的變形特點(diǎn)與破壞特征，并根據(jù)實(shí)際情況提出了切實(shí)可行的支護(hù)方案；楊立云等[2]對(duì)直墻半圓拱形巷道的模型試件在單軸壓縮載荷下的變形進(jìn)行了二維測(cè)量和三維測(cè)量，得到了全場(chǎng)應(yīng)變和位移的演化過程以及裂紋發(fā)展等特性；陳登國等[3]考慮中間主應(yīng)力及側(cè)壓力系數(shù)的影響，并通過數(shù)值模擬分析，得到在考慮非均勻應(yīng)力場(chǎng)分布的力學(xué)模型能更準(zhǔn)確地反映隧洞圍巖應(yīng)力分布特點(diǎn)；宋萬鵬等[4]基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論，合理考慮圍巖的中間主應(yīng)力和側(cè)壓力系數(shù)的影響并結(jié)合實(shí)例，得到的隧洞圍巖的抗力系數(shù)規(guī)律；Zhao等[5]對(duì)由軟弱巖石制造的圓形斷面洞室模型進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并分析了其裂紋發(fā)展規(guī)律；Reva[6]通過能量追蹤的方法，進(jìn)行了圍巖分區(qū)破裂條件下的洞室圍巖的穩(wěn)定性分析；Weng等[7]總結(jié)出了用脆性巖石制作的洞室模型分別在單向荷載及動(dòng)靜耦合荷載下的裂紋發(fā)展規(guī)律；董書明等[8]通過數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)開挖過后的典型斷面形狀洞室斷面的塑性區(qū)、位移及應(yīng)力進(jìn)行分析；黃鋒等[9]基于PFC2D軟件建立了二維分析模型，探究了斷層破碎帶對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律；郝燕奎等[10]基于PFC2D軟件建立了完整巖石、單孔洞巖石及單裂隙巖石模型，并探究了其在單軸壓縮作用下的力學(xué)性質(zhì)的差異；孫闖等[11]通過構(gòu)建不同尺度的深部洞室顆粒流模型，來分析深部圍巖宏觀破裂的尺度效應(yīng)；Zhu等[12]通過有限元軟件RFPA，分析了典型斷面的洞室圍巖洞口周圍的裂紋起裂及分布規(guī)律；Wang等[13]通過數(shù)值模擬分析了圓形洞室模型在雙軸加載下的破壞規(guī)律，認(rèn)為當(dāng)圍壓較低時(shí)模型以張拉破壞為主，圍壓較高時(shí)以剪切破壞為主。

由上述研究可知，洞室圍巖的破壞及力學(xué)行為特征一直以來是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。然而從全場(chǎng)應(yīng)變演化的角度去研究含洞室?guī)r體在雙軸伺服加載過程中的裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)育及破壞特征的文獻(xiàn)鮮見?；诖?，現(xiàn)采用非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，分析含圓形洞室模型在雙軸加載過程中的全場(chǎng)應(yīng)變演化特征，研究洞室尺寸效應(yīng)，圍壓的大小對(duì)于巖體強(qiáng)度、裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)育及破壞特征的影響。并采用顆粒離散元法，從宏細(xì)觀角度揭示了不同圍壓與圍巖變形失穩(wěn)特征的關(guān)系。

1 洞室圍巖模型的雙軸加載試驗(yàn)

1.1 試樣制備及儀器

本次試驗(yàn)通過配備水泥砂漿制作類巖石材料，材料為普通硅酸鹽水泥(PO42.5)、粒徑小于1.25 mm的河砂以及聚羧酸高效減水劑。配合比為水泥∶河砂∶水∶減水劑=1∶1∶0.35∶0.1，每個(gè)模型的尺寸為100 mm×100 mm。洞室的制作方法為：將水泥砂漿倒入模具中，在振搗密實(shí)后，插入3D打印的洞室形狀模型，將表面抹平，六個(gè)小時(shí)以后將3D打印模型拔出，經(jīng)過24 h后脫模。在溫度19～21 ℃、濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。

本文研究采用雙軸試驗(yàn)的研究方法，加載設(shè)備采用ZTRS大噸位巖石直剪儀，其軸向最大法向荷載為2 000 kN，水平剪切最大荷載為1 000 kN，將兩塊直剪加載板拆掉，換成兩塊高溫淬火加載鋼板，并將壓頭墊高，改進(jìn)過后可實(shí)現(xiàn)雙向加載。本次采用圓形洞室斷面形狀為研究對(duì)象，考慮孔洞尺寸效應(yīng)的影響，具體洞室形狀尺寸如圖1所示。

圖1 圓形洞室模型尺寸示意圖Fig.1 Size diagram of circular cavity model

1.2 洞室尺寸效應(yīng)對(duì)巖體抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為各個(gè)尺寸的圓形洞室模型在各級(jí)圍壓σ下的應(yīng)力應(yīng)變曲線匯總?？梢院苊黠@地看出，每一種工況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出了明顯的壓密階段、彈性階段、彈塑性破裂演化階段以及峰后破壞階段。

圖2 各尺寸圓形洞室模型應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of circular cavity model

從圖2中可以看出，無論哪種尺寸的圓形洞室，當(dāng)圍壓逐漸增大時(shí)，其峰值強(qiáng)度也會(huì)隨圍壓的增大而增大。當(dāng)洞室尺寸最小時(shí)，模型進(jìn)入彈性階段的時(shí)間大致相同，并且峰后破壞階段的曲線發(fā)展大致類似，只有圍壓為6 MPa的工況時(shí)進(jìn)入彈性階段的時(shí)間靠后；當(dāng)洞室尺寸居中時(shí)，模型進(jìn)入彈性階段的時(shí)間大致相同，峰后破壞階段的發(fā)展也大致相似；當(dāng)洞室尺寸最大時(shí)，進(jìn)入彈性階段的時(shí)間以及峰后的破壞情況規(guī)律同洞室居中時(shí)大致相似，彈性階段時(shí)曲線發(fā)展基本相似，峰后的破壞情況也基本相似。

由以上分析可知，各個(gè)尺寸圓形洞室所表現(xiàn)出來的規(guī)律大致類似，接下來探究各個(gè)尺寸的圓形洞室平均抗壓強(qiáng)度對(duì)于圍壓變化的響應(yīng)程度，每個(gè)模型做了三組平行試驗(yàn)，最后取得平均值。

由圖3可知，無論是哪種尺寸的洞室，抗壓強(qiáng)度與圍壓之間的皆呈現(xiàn)出明顯的線性增加趨勢(shì)的變化規(guī)律，將各尺寸洞室進(jìn)行峰值抗壓強(qiáng)度-圍壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后發(fā)現(xiàn)，峰值抗壓強(qiáng)度對(duì)于圍壓的響應(yīng)是最低的是圓形洞室尺寸最大時(shí)，變化相對(duì)較小。而洞室尺寸較小和中等時(shí)，峰值抗壓強(qiáng)度對(duì)于圍壓變化的響應(yīng)偏高，變化的趨勢(shì)大致相同。由圖4可以看出，在各個(gè)模型尺寸下，抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。在各級(jí)圍壓作用下，模型的抗壓強(qiáng)度會(huì)隨洞室尺寸的增大而減小，當(dāng)模型尺寸最大時(shí)，其峰值抗壓強(qiáng)度下降的最多，且圍壓越大，抗壓強(qiáng)度下降最多，尺寸效應(yīng)越明顯。

圖3 各尺寸圓形洞室模型峰值強(qiáng)度-圍壓線性擬合Fig.3 Linear fitting of peak strength-confining pressure of circular cavity model with different sizes

1.3 洞室尺寸效應(yīng)對(duì)模型破壞模式的影響

洞室尺寸對(duì)于圓形洞室模型的破壞特征有著重要影響，而如何確定合理的洞室尺寸，以此來開展此次試驗(yàn)力學(xué)研究至關(guān)重要。因此本研究共制作三類洞室尺寸的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，來探討洞室尺寸效?yīng)對(duì)于模型破壞模式的影響。

圖5～圖8展示的是各級(jí)圍壓之下，圓形洞室小、中、大尺寸的破壞模式匯總，得到了孔洞尺寸的改變以及圍壓的改變對(duì)模型破壞模式產(chǎn)生的影響。

圖4 各尺寸圓形洞室模型峰值強(qiáng)度比較Fig.4 Peak strength comparison of circular cavity models with different sizes

圖5 圍壓為0 MPa時(shí)各個(gè)尺寸圓形洞室破壞模式Fig.5 Failure modes of circular cavities with different sizes under confining pressure of 0 MPa

圖6 圍壓為2 MPa時(shí)各個(gè)尺寸圓形洞室破壞模式Fig.6 Failure modes of circular cavities with different sizes under confining pressure of 2 MPa

圖7 圍壓為4 MPa時(shí)各個(gè)尺寸圓形洞室破壞模式Fig.7 Failure modes of circular cavities with different sizes under confining pressure of 4 MPa

圖5為當(dāng)圍壓為0 MPa時(shí)，洞室破壞模式，可以看出小尺寸的洞室模型裂紋的起裂位置均發(fā)生在邊界位置，在模型的左上角、右上角及右下角有塊體脫落現(xiàn)象，但是洞口位置起裂并不明顯，也沒有發(fā)生變形，是因?yàn)槟Ｐ偷氖芰c(diǎn)均發(fā)生在洞室影響范圍之外；中尺寸的模型均在洞室的周圍，模型左側(cè)位置起裂的裂紋沿加載方向形成了平行于加載方向的剪切裂紋，模型的右下角有局部塊體脫落現(xiàn)象。大尺寸模型，主裂紋的發(fā)育幾乎全部在洞室周圍，洞室上下形成了張拉裂紋，模型左側(cè)邊界也形成了一條貫穿的張拉裂紋。

圖8 圍壓為6 MPa時(shí)各個(gè)尺寸圓形洞室破壞模式Fig.8 Failure modes of circular cavities with different sizes under confining pressure of 6 MPa

圖6為當(dāng)圍壓為2 MPa時(shí)，小尺寸洞室主裂紋的發(fā)生未在洞口處，主要在左右邊界，模型左側(cè)形成了與上下邊界貫穿的張拉裂紋，洞口太小，破壞模式接近于整體性破壞；而中尺寸模型，主裂紋的生成主要發(fā)生在洞室周圍，洞口上方形成的張拉裂紋延伸到模型上邊界，洞口下方的主裂紋也延伸出了許多次生裂紋。大尺寸模型中，更多的主裂紋發(fā)生在洞口周圍，次生裂紋減少，模型左下角及右下角產(chǎn)生局部塊體脫落。

圖7為當(dāng)圍壓為4 MPa時(shí)，小尺寸模型洞口上下均產(chǎn)生張拉裂紋，模型上邊界產(chǎn)生了剪切裂紋，模型失穩(wěn)的主要原因是因?yàn)閺埨鸭y。而中尺寸的模型上下均產(chǎn)生拉伸裂紋，次生裂紋逐漸增多，壓剪作用增強(qiáng)從而造成模型失穩(wěn)。大尺寸模型中，洞口上方產(chǎn)生了拉伸裂紋，而模型左側(cè)也產(chǎn)生了貫穿上下側(cè)的拉伸裂紋，是模型失穩(wěn)的主要原因。

圖8為當(dāng)圍壓為6 MPa時(shí)，小尺寸洞室模型底部產(chǎn)生了多條拉伸裂紋以及次生裂紋，破壞模式較復(fù)雜，但是拉伸裂紋從洞口產(chǎn)生的只有一條。中尺寸模型中，破壞模式也比較復(fù)雜，洞口上下側(cè)均產(chǎn)生了拉伸裂紋，模型左右側(cè)均產(chǎn)生次生裂紋，破壞模式與拉剪復(fù)合破壞類似；大尺寸模型中，洞室上方產(chǎn)生了一條拉伸裂紋，模型左側(cè)產(chǎn)生了剪切裂紋，因?yàn)槭苓吔缧?yīng)的影響，裂紋的發(fā)育受到了限制。

綜合來看，孔洞的尺寸會(huì)影響模型的破壞模式，當(dāng)孔洞較小時(shí)，模型的破壞接近于整體破壞，端部效應(yīng)較大，不能突出洞口以及洞口周邊的破裂形式；當(dāng)孔洞較大時(shí)，受邊界效應(yīng)的影響，模型破壞的非穩(wěn)定性較強(qiáng)；當(dāng)孔洞尺寸適中時(shí)，可以清晰地觀測(cè)到裂紋的發(fā)育以及最終失穩(wěn)的過程。所以選取孔洞適中的來進(jìn)行接下來的試驗(yàn)。

2 全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果分析

2.1 洞室模型不同圍壓下應(yīng)變?cè)茍D特征

模型在加載過程中會(huì)表現(xiàn)出明顯的階段性力學(xué)特征，如圖9所示，大致分為壓密階段、彈性階段、彈塑性階段以及峰后破壞階段。0～A為壓密階段，伴隨著試樣本身微裂紋的閉合；A～B為彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變接近于線性增長關(guān)系；B～C為彈塑性階段，裂紋發(fā)展迅速，抗壓強(qiáng)度隨之到達(dá)峰值；C～D為峰后破壞階段，試樣最后發(fā)生破壞失穩(wěn)。

圖9 模型加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 Model loading stress-strain curve

根據(jù)以上分析，針對(duì)4個(gè)力學(xué)階段，選取A、B、C、D所對(duì)應(yīng)的全場(chǎng)應(yīng)變演化云圖進(jìn)行分析。下圖為不同圍壓下圓形洞室試塊應(yīng)變演化過程。其中A對(duì)應(yīng)著壓密階段，B對(duì)應(yīng)著彈性階段，C對(duì)應(yīng)著彈塑性階段，D對(duì)應(yīng)著峰后破壞階段。提取在全應(yīng)力-應(yīng)變曲線下加載過程中的4個(gè)階段來分析其全場(chǎng)應(yīng)變演化云圖。

當(dāng)σ=0 MPa時(shí)，在初始加密階段和彈性階段，模型底部出現(xiàn)了高應(yīng)變區(qū)，但是并沒有大面積擴(kuò)散，其他地方應(yīng)變分布較均勻。彈塑性階段以及峰后破壞階段，模型下方又發(fā)育出了多條主應(yīng)變帶。模型洞口上下出現(xiàn)了高應(yīng)變區(qū)，洞口上方發(fā)育較明顯，破壞形式表現(xiàn)為張拉應(yīng)變，洞口上方出現(xiàn)了張拉裂紋帶，洞口兩側(cè)主要為壓應(yīng)變；當(dāng)σ=2 MPa時(shí)，彈性階段，模型下方出現(xiàn)高應(yīng)變，洞口下方也出現(xiàn)了應(yīng)變集中，在彈塑性階段，洞口上下側(cè)出現(xiàn)了張拉裂紋，洞口左右兩邊出現(xiàn)了壓應(yīng)變，到峰后階段，在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下，出現(xiàn)了拉剪裂紋帶，屬于拉剪復(fù)合破壞；當(dāng)σ=4 MPa時(shí)，彈性階段以及彈塑性階段，模型下側(cè)出現(xiàn)了高應(yīng)變，洞口上方出現(xiàn)了應(yīng)變集中但是并不明顯。到峰后破壞階段，模型的上側(cè)以及左側(cè)出現(xiàn)了壓應(yīng)變集中，洞口下方出現(xiàn)了高應(yīng)變集中；當(dāng)σ=6 MPa時(shí)，在彈性階段，模型底部以及左側(cè)出現(xiàn)了高應(yīng)變區(qū)，彈塑性階段的洞口的左側(cè)出現(xiàn)了壓應(yīng)變的集中。峰后階段洞室的上側(cè)出現(xiàn)張拉裂紋，但是模型主要以剪切破壞為主，并伴隨著張拉破壞的產(chǎn)生；σ=8 MPa時(shí)，在彈性階段同σ=6 MPa時(shí)類似，洞口應(yīng)變較均勻。在彈塑性階段，洞口右下方出現(xiàn)了一條高應(yīng)變集中區(qū)域，底部產(chǎn)生的高應(yīng)變區(qū)已經(jīng)延伸到了洞口下方。在峰后破壞階段，形成了洞口下方兩條豎直的應(yīng)變集中帶；當(dāng)σ=10 MPa時(shí)，彈性階段洞口下方萌生出了微小的應(yīng)變集中區(qū)，模型的右下方也形成了高應(yīng)變帶。在彈塑性階段時(shí)，在洞口處形成了“X”的高應(yīng)變集中區(qū)，但是在峰后階段，應(yīng)變集中區(qū)主要集中在洞口的右下方以及洞口的左上角，洞口右下方的應(yīng)變集中區(qū)與模型右下角的高應(yīng)變區(qū)逐漸延伸到一起。

圖10 圍壓0 MPa時(shí)全場(chǎng)應(yīng)變演化過程Fig.10 Confining pressure 0 MPa， whole field strain evolution process

圖11 圍壓2 MPa時(shí)全場(chǎng)應(yīng)變演化過程Fig.11 Confining pressure 2 MPa， whole field strain evolution process

圖12 圍壓4 MPa時(shí)全場(chǎng)應(yīng)變演化過程Fig.12 Confining pressure 4 MPa， whole field strain evolution process

圖13 圍壓6 MPa時(shí)全場(chǎng)應(yīng)變演化過程Fig.13 Confining pressure 6 MPa， whole field strain evolution process

圖14 圍壓8 MPa時(shí)全場(chǎng)應(yīng)變演化過程Fig.14 Confining pressure 8 MPa， whole field strain evolution process

圖15 圍壓10 MPa時(shí)全場(chǎng)應(yīng)變演化過程Fig.15 Confining pressure 10 MPa， whole field strain evolution process

綜上，模型的高應(yīng)變區(qū)主要發(fā)生在洞口周圍，當(dāng)圍壓較小時(shí)，第一主應(yīng)變?yōu)閺埨瓚?yīng)變，隨著圍壓的增大，張拉作用被抑制，壓剪作用增強(qiáng)，主應(yīng)變集中帶由洞室上下側(cè)向兩幫轉(zhuǎn)移。

2.2 非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的主應(yīng)變分析

由2.1節(jié)可知，模型洞口易發(fā)生應(yīng)變集中，形成應(yīng)變集中區(qū)域，所以提取這些區(qū)域并測(cè)量其主應(yīng)變，探究圓形洞室模型在不同圍壓下的應(yīng)變分布規(guī)律。故選取如圖16所示的4個(gè)位置來探究不同圍壓下的主應(yīng)變的變化。

圖17所示為不同圍壓下，選取的4個(gè)不同測(cè)試區(qū)域的主應(yīng)變曲線變化。

當(dāng)σ=0 MPa時(shí)，測(cè)域3一直保持著高應(yīng)變水平，測(cè)域3代表著圓形洞室的底部。黑色的測(cè)域1呈現(xiàn)出應(yīng)變后期逐漸增長的趨勢(shì)，增幅明顯，測(cè)域1代表著圓形洞室的上部；當(dāng)σ=2 MPa時(shí)，測(cè)域3依舊保持著較高的水平，并且遠(yuǎn)大于其他三個(gè)位置，代表著這是主應(yīng)變集中的初始區(qū)域；當(dāng)σ=4 MPa時(shí)，與前面情況大致相似，測(cè)域3遠(yuǎn)大于其他三個(gè)位置，同時(shí)測(cè)域2后期有增長的趨勢(shì)；當(dāng)σ=6 MPa時(shí)，測(cè)域2的主應(yīng)變值最大，測(cè)域2代表著洞室的左側(cè)；當(dāng)σ=8 MPa時(shí)，可以看出測(cè)域2和測(cè)域4的主應(yīng)變高于另外兩條，測(cè)域2以及測(cè)域4代表著洞室的左右兩側(cè)，說明圍壓的增大抑制了洞口上下的張拉作用，壓剪作用增強(qiáng)；當(dāng)σ=10 MPa時(shí)，測(cè)域2前期保持著高水平，雖在中期稍有回落，但是始終保持著比較高的水平，測(cè)域4在峰后階段有大幅上漲的趨勢(shì)。

圖16 洞室模型主應(yīng)變測(cè)域分布Fig.16 Distribution of principal strain measurement domain of cavern model

綜上看出，當(dāng)圍壓較小時(shí)，受張拉作用的影響，主應(yīng)變以張拉應(yīng)變?yōu)橹?，洞口上下兩?cè)變形較大。但是隨著圍壓的增加，張拉作用受到了抑制，壓剪作用增強(qiáng)，主應(yīng)變集中帶由洞室上下向洞室兩幫轉(zhuǎn)移，這與之前全場(chǎng)應(yīng)變演化過程分析的結(jié)果一致。

3 洞室圍巖模型的離散元分析

3.1 顆粒流模型的建立

顆粒流數(shù)值模擬技術(shù)及應(yīng)用(particle flow code，PFC)適用于研究材料宏-細(xì)觀力學(xué)特性、顆粒集合體的變形和流動(dòng)破壞過程、固體材料(巖塊等)破裂及破裂擴(kuò)展等問題的高端離散元分析工具，可以將不連續(xù)的顆粒編程獨(dú)立單元的結(jié)合，建立起顆粒與顆粒之間的相互作用。

圖17 圓形洞室模型不同圍壓下各測(cè)域主應(yīng)變Fig.17 Main strain of circular cavity model under different confining pressures

平行黏結(jié)模型是一種以線性平行鍵合接觸模型為基礎(chǔ)的顆粒體存在于材料定型階段結(jié)束時(shí)的所有顆粒的接觸處，平行黏結(jié)模型可同時(shí)傳遞顆粒與顆粒之間的力與力矩的特點(diǎn)[14]，可以很好地反映巖石或類巖石材料的力學(xué)特征和相應(yīng)特性，因此本文選用平行黏結(jié)模型。

3.2 顆粒流參數(shù)確定

選取水泥砂漿來制造的類巖石材料，經(jīng)過室內(nèi)的單軸壓縮試驗(yàn)來獲取其參數(shù)，再運(yùn)用試錯(cuò)法對(duì)細(xì)觀模型進(jìn)行參數(shù)匹配。最終匹配結(jié)果如表1所示。

表1 模型細(xì)觀參數(shù)

3.3 洞室圍巖模型位移云圖分析

圖18為原型洞室在不同圍壓下破壞的全場(chǎng)位移圖，當(dāng)圍壓較小時(shí)，洞室周圍的位移出現(xiàn)了明顯的不對(duì)稱現(xiàn)象。

由圖18可知，當(dāng)σ=0 MPa時(shí)，洞口右側(cè)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但是洞口左側(cè)無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；當(dāng)σ=4 MPa時(shí)，洞口兩側(cè)出現(xiàn)了高應(yīng)變區(qū)，呈現(xiàn)出來沿洞口反對(duì)稱現(xiàn)象。當(dāng)σ=8～20 MPa時(shí)，圍壓逐漸增大，發(fā)展較為相似，高應(yīng)變區(qū)都是沿著洞室中軸線為中心呈現(xiàn)對(duì)稱發(fā)展。隨著圍壓的增大，洞室周圍的位移逐漸增大，變形程度加大。

圖18 圓形洞室圍巖模型位移云圖Fig.18 Displacement nephogram of surrounding rock model of circular cavern

3.4 洞室洞口周圍裂紋發(fā)育演化

在模型加載過程中，洞室圍巖勢(shì)必會(huì)經(jīng)歷彈性變形與塑性破裂演化兩個(gè)階段，本節(jié)從洞口周圍微裂紋的角度出發(fā)，來探究模型在彈性階段以及彈塑性階段加載完畢以后模型的圓形洞口處裂紋的演化以及發(fā)展趨勢(shì)，并以此來探究在不同圍壓下圓形洞室在彈性階段和彈塑性階段對(duì)洞口周圍裂紋的發(fā)育以及最終破壞情況的影響。從宏細(xì)觀兩個(gè)角度來探究洞室圍巖的破裂情況和最終破裂形式以及程度。

圖19為圓形洞室洞口處在不同圍壓下彈性階段的破裂圖。當(dāng)σ=0 MPa時(shí)，洞口上方出現(xiàn)了一條明顯的張拉裂紋，洞室左右兩幫有裂紋的發(fā)育，較為明顯，右邊的裂紋向下發(fā)展；當(dāng)σ=4 MPa時(shí)，洞室上方的張拉裂紋被抑制，洞室兩幫依然有裂紋的發(fā)育，洞口周圍的裂紋呈現(xiàn)X形發(fā)展；當(dāng)σ=8～20 MPa時(shí)，洞口裂紋發(fā)育大致相似，洞口周圍的裂紋主要呈“X”發(fā)育，洞口上方的張拉破壞明顯被抑制，洞口未出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象。

圖19 圓形洞室模型不同圍壓下的彈性階段裂紋圖Fig.19 Elastic stage crack diagram of circular cavity model under different confining pressures

圖20為圓形洞室與彈性階段相對(duì)應(yīng)的塑性破壞階段結(jié)束時(shí)在不同圍壓下裂紋的發(fā)育情況，各個(gè)圍壓下洞口周圍的裂紋都呈現(xiàn)X形。當(dāng)σ=0 MPa時(shí)，洞口上方的張拉裂紋繼續(xù)向上發(fā)展延伸，洞口兩幫裂紋數(shù)增多；當(dāng)σ=4 MPa時(shí)，洞口上方的張拉裂紋并沒有繼續(xù)向上發(fā)育延伸，張拉裂紋受到了抑制；當(dāng)σ=8～20 MPa時(shí)，裂紋主要發(fā)生在洞口兩幫，并且隨著圍壓的增大，裂紋的數(shù)目會(huì)增多，洞室的破壞程度也愈發(fā)嚴(yán)重，洞口上下側(cè)的張拉裂紋明顯受到了抑制。

3.5 洞室洞口位移矢量圖分析

圖21為圓形洞室在不同圍壓下全應(yīng)力-應(yīng)變加載下的顆粒位移矢量圖。

圖20 圓形洞室模型不同圍壓下的塑性破裂演化階段裂紋圖Fig.20 Crack diagram of plastic fracture evolution stage in circular cavern model under different confining pressures

圖21 圓形洞室模型不同圍壓下的顆粒位移矢量圖Fig.21 Particle displacement vector diagram of circular cavity model under different confining pressures

可以看出當(dāng)σ=0 MPa時(shí)，洞口兩側(cè)張拉作用明顯，產(chǎn)生了張拉裂紋，洞口兩側(cè)收縮變形，從整體看，洞室兩側(cè)的變形并不對(duì)稱；當(dāng)σ=4 MPa時(shí)，洞口兩側(cè)的顆粒向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，形成了V形破裂區(qū)域，在圍壓的作用下，洞室兩側(cè)的變形加??；當(dāng)σ=8～20 MPa時(shí)，隨著圍壓的增加，洞口兩側(cè)的顆粒運(yùn)動(dòng)加劇，收縮變形更加明顯，V形破裂區(qū)愈發(fā)明顯。并且隨著圍壓的增加，洞口兩側(cè)對(duì)稱變形現(xiàn)象更加明顯。

4 結(jié)論

(1)孔洞的尺寸效應(yīng)對(duì)模型的力學(xué)特征有較大的影響。當(dāng)孔洞的尺寸較小時(shí)，模型的破壞趨向于整體破壞；當(dāng)孔洞尺寸較大時(shí)，容易受到邊界端部效應(yīng)的影響，邊界效應(yīng)會(huì)抑制此生裂紋的產(chǎn)生以及發(fā)育，模型的穩(wěn)定性較強(qiáng)。

(2)通過全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D分析可知，洞口周圍易出現(xiàn)高應(yīng)變區(qū)，并且隨著圍壓的增加，抑制了張拉裂紋的產(chǎn)生，由張拉破壞逐漸向拉剪復(fù)合破壞轉(zhuǎn)變，應(yīng)變集中帶由洞口上下側(cè)逐漸向洞口兩幫轉(zhuǎn)移。

(3)通過全場(chǎng)應(yīng)變主應(yīng)變分析可知，圍壓較小時(shí)，洞室主要以張拉破壞為主，隨著圍壓的增大，主應(yīng)變由洞室上下兩端逐漸向洞室兩幫轉(zhuǎn)移，說明圍壓抑制了張拉作用，壓剪作用逐漸增強(qiáng)。

(4)通過模型顆粒位移云圖結(jié)果分析可知，當(dāng)圍壓較小時(shí)，顆粒位移值分布較均勻，洞口上下兩側(cè)易產(chǎn)生張拉裂紋，當(dāng)圍壓逐漸增大時(shí)，張拉裂紋收到了抑制，洞口兩側(cè)破壞不斷增加。結(jié)合顆粒位移矢量圖分析，隨著圍壓的增大，洞口兩側(cè)的收縮變形逐漸增大。