基于离散-连续耦合方法含软弱夹层隧道围岩宏-细观变形规律研究

作     者：刘恒 

作者单位：重庆科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘春;周尚永

授予年度：2023年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：隧道工程 软弱夹层 岩石力学试验 细观参数标定 多尺度耦合计算 

摘      要：随着交通基础设施建设重心逐步向中西部推进,各项隧道工程迫切兴建。西南地区的地形地貌复杂多变,隧道及地下空间工程建设常常面临软弱夹层带的挑战。软弱夹层带内岩体通常存在不连续结构面,如裂隙、节理等,夹层内岩石整体结构松散破碎,充填有碎石、碎土及夹层泥等大量松散介质。含软弱夹层隧道施工时围岩受力比较复杂,尤其是当隧道穿越软弱夹层时由于施工扰动的影响,夹层内应力局部较集中,围岩应力释放较快,严重影响洞身围岩稳定性。本文以新燕尾山隧道工程为背景,采取隧道掌子面岩芯开展室内岩石力学试验获取岩石宏观力学参数,通过正交试验设计及多因素方差分析探讨岩石宏-细观参数之间的特定表达式。基于离散-连续耦合分析方法,利用PFC3D离散元软件和FLAC 3D有限差分软件实现数值耦合模拟过程,从宏观zone单元和细观颗粒流角度研究含软弱夹层隧道施工开挖过程中围岩宏-细观变形破坏规律,主要研究内容和结论性成果如下:(1)采取隧道掌子面岩石试样开展室内常规单轴压缩试验,得到砂岩试样的变形破坏特征及宏观力学参数(E、V、UCS、σ),通过“试错法建立与室内试验结果相匹配的单轴压缩数值模型,采用PFC 3D对砂岩单轴压缩试验进行数值模拟研究,初步标定砂岩试样的细观参数(R、E~*、K~*、(?))。(2)采用正交设计试验,选取能够表征泥岩力学特征的宏-细观参数作为试验指标和因素开展泥岩单轴压缩数值模拟,并对正交试验结果进行敏感性分析。基于正交试验结果,利用多因素方差分析法量化分析宏-细观参数之间的影响规律,提出具体的细观参数标定方法。通过对新燕尾山隧道泥岩和砂岩进行细观力学参数标定,数值模拟结果与室内力学试验基本一致,验证了本文细观参数标定方法的可行性。(3)利用有限元(FLAC 3D)软件和离散元(PFC 3D)软件进行含软弱夹层隧道耦合数值模拟,分别研究软弱夹层不同宽度、倾角及倾向对隧道开挖围岩稳定性的影响,得到隧道拱顶、拱底、拱腰及掌子面的宏观位移应力变化规律及软弱夹层颗粒流的细观变形特征。隧道施工开挖引起的宏观zone单元位移应力变化规律主要集中在隧道拱顶沉降、拱底隆起及拱腰水平收敛,由于含软弱夹层特殊地质构造导致隧道在软弱夹层附近受力不均,开挖过程中产生较大位移变形量。细观颗粒位移变化规律主要集中在拱顶、拱底、拱腰及拱脚处,其中拱顶颗粒位移变化最为明显,有部分颗粒在开挖掌子面时产生逃逸现象,反映掌子面拱顶处的泥岩颗粒离散性较大,在隧道开挖时会随应力破坏而失去稳定性,从而导致隧道冒顶、塌方等宏观破坏。(4)根据多尺度耦合计算结果,随着软弱夹层宽度及倾向的增加,围岩的宏-细观变形规律愈加明显,均表现为宏观zone单元位移及应力值增加、细观颗粒逃逸位移及逃逸数目也随之增加。当软弱夹层宽度和倾向达到设计阈值时,宏-细观变形破坏规律最明显,软弱夹层宽度取值20m时,颗粒最大位移值出现在上台阶法开挖拱顶处,夹层颗粒与宏观围岩耦合交界位置,其最大沉降量为-26.31mm、最大主应力为4.11MPa;软弱夹层倾向取值70°时,颗粒最大位移值出现在上台阶法开挖右拱肩处,最大沉降量为-6.44mm、最大主应力3.49MPa;随着软弱夹层倾角的减小,围岩的宏观位移及应力值随之增加,细观规律表现相同,当软弱夹层倾角取15°时,隧道宏-细观变形破坏规律受夹层影响最大,拱顶沉降量-19.38mm、最大主应力4.14MPa。由于施工开挖扰动,隧道掌子面应力释放迅速,导致耦合交界面处颗粒-颗粒及颗粒-墙体之间接触力键破坏,颗粒间产生较大位移变形,随着施工步深入逐渐演变为围岩宏观位移变形。