高应力软岩隧道破裂碎胀米级大变形机理研究

作     者：邓鹏海 刘泉声 DENG Peng-hai;LIU Quan-sheng

作者机构：武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 

出 版 物：《中国公路学报》 (China Journal of Highway and Transport)

年 卷 期：2023年第36卷第8期

页      面：225-239页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0903[农学-农业资源与环境] 0814[工学-土木工程] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(41941018 U21A20153)。 

主　　题：隧道工程 软岩大变形 有限元-离散元耦合数值方法 裂隙扩展过程 应力场 位移场 

摘      要：深埋高应力软弱围岩频繁遭遇米级剧烈大变形灾害,但却面临其大变形灾变机理和过程认识不清等问题。采用有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)研究了高应力软弱围岩的破裂碎胀大变形过程,并研究了地应力量值、侧压系数和隧道断面形状对大变形灾变机制的影响。结果表明:(1)高应力软岩隧道大变形灾变力学机理为隧道开挖卸荷导致围岩产生破裂块体的碎胀性变形;(2)围岩大变形过程中的裂隙扩展过程、应力场和位移场结果表明,在静水压力状态下,围岩主要产生共轭剪切破坏,破裂的块体沿着主剪切带发生滑移并伴随着剪胀现象和翻转运动,使得块体间产生大量空隙,这些碎裂块体向隧道空间移动造成了隧道断面的急剧缩小,以致发生米级剧烈大变形灾害;(3)随着地应力量值的增加,围岩破裂程度和隧道表面最大位移迅速增大,后者呈现明显的非线性特征,而损伤破裂区半径增长较为平缓,当垂直地应力高达约58 MPa时,剧烈位移区内的岩体难以形成主剪切裂隙带,极为破碎的岩块呈整体向隧道内挤压态势,并产生大量空隙,造成隧道断面面积的急剧缩小;(4)在静水压力状态下,正方形隧道只对裂隙起裂、剧烈位移区形状和该区域内岩体位移模式产生影响,而在剧烈位移区范围外,围岩趋近于圆形隧道时的破裂机制。