软弱夹层厚度对隧洞围岩时效损伤破坏的影响

【摘要】从岩石的强度、弹模等物理力学性质受环境影响随时间劣化及岩石内部细观损伤积累的角度出发，应用基于RFPA的数值模拟方法，模拟了软弱夹层的厚度对隧洞围岩损伤演化和时效破坏的影响。结果表明，随着软弱夹层厚度的增加，隧洞的拱顶、两侧边墙位移不断地增大，隧洞的破坏程度也越来越严重，夹层厚度对隧洞时效损伤破坏的影响显著增大。

【关键词】软弱夹层；隧洞围岩；长期强度；时效变形；损伤演化

1 引言

隧洞等地下工程在选址设计建设时应尽量避开软弱夹层，但是有时由于复杂的地质环境和工程建设的一些特殊要求，不可避免地要穿越含软弱夹层岩体。文献[1]通过相似模型试验研究分析了破碎带或软弱夹层对岩石隧洞长期稳定性的影响，并与数值模拟结果作了对比分析；文献[2]对软弱夹层影响下地下洞室的围岩损伤演化过程进行了模拟分析，重点研究了软弱夹层的分布位置、围岩压力大小对围岩损伤演化模式的影响。

本文从岩石材料的强度、弹模等内在物理力学性质随时间劣化及岩石内部细观损伤积累等观点出发，在细观弹性损伤模型的基础上，引入细观表征单元力学特性的退化模型[3-4]，研究软弱夹层影响下隧洞围岩的损伤演化与时效破坏过程，以期进一步澄清软弱夹层厚度对隧洞等长期稳定性的影响。

如图1所示，本文模型假设细观表征单元的强度随时间不断降低，其退化速度取决于应力、环境等综合因素，最后达到一个稳定的长期强度。

图1 岩石细观表征单元强度退化模型

岩体细观表征单元强度随时间的退化模型假设用简单的数学方程加以描述[5]：

（1）

式中：fo为单元的初始强度；ft为t时刻的单元强度；f∞为单元的长期强度，当t→∞时，ft→f∞；a为强度衰减影响因子，反应强度衰减的快慢。f∞和a的量值均取决于岩性及岩体所处环境因素，可由实验或现场标定而确定。上述模型已在基于有限元的RFPA2D系统[6]中予以实现，本文利用RFPA2D展开相应的数值计算分析。

2 软弱夹层厚度对隧洞围岩时效损伤破坏的影响

本文建立不同软弱夹层厚度影响下的隧洞模型，如图2所示。模型高55m，宽55m，共划分为330×330个单元；洞室为直墙拱形隧道，跨度为5m，高5.5m，边墙高度为3m。软弱夹层距离隧洞周边最近处的距离为1.5m，厚度分别为0.2m、0.5m、0.7m、1.0m。

模型采用先加载后开挖的加载方式。开挖前，首先在边界施加大小均为15MPa的水平和垂直应力，后维持荷载不变直至计算完成。

（a）软弱夹层厚度0.2m （b）软弱夹层厚度0.5m

（c）软弱夹层厚度0.7m （d）软弱夹层厚度1.0m

图2 不同软弱夹层厚度的隧洞数值模型

图3至图5分别为不同厚度软弱夹层隧洞各部位的位移变化，图6则为在不同软弱夹层厚度影响下隧道的时效损伤破坏模式。当软弱夹层厚度为0.2m时，隧洞各部位的位移呈现典型的稳定蠕变变化，隧洞并未产生破坏，仅在两侧拱肩、拱脚部位有微小破裂发生，如图6（a）所示。

随着软弱夹层厚度的增加，隧洞的拱顶、两侧边墙位移不断地增大，并且不再呈现稳定状态，夹层厚度对隧洞时效变形破坏的影响显著增大。从图6（b）（c）（d）可以看出，随着软弱夹层厚度的增加，隧洞的主要破坏区—左侧拱肩和左右两侧边墙破坏越来越严重，并且当软弱夹层厚度達到1.0m时，左侧边墙破裂裂纹逐渐向隧洞左侧扩展，并与沿夹层破坏裂纹贯通，最终造成隧洞的失稳破坏。

图3 不同软弱夹层厚度下隧洞拱顶下沉位移图

图4 不同软弱夹层厚度下隧洞左壁收敛位移图

图5 不同软弱夹层厚度下隧洞右壁收敛位移图

（a）软弱夹层厚度0.2m （b）软弱夹层厚度0.5m

（c）软弱夹层厚度0.7m （d）软弱夹层厚度1.0m

图6 不同软弱夹层厚度下隧洞围岩的时效损伤破坏模式

3 结 论

不同软弱夹层厚度下隧洞围岩损伤演化和时效破坏特性的数值模拟显示，随着软弱夹层厚度的增加，隧洞的拱顶、两侧边墙位移不断地增大，并且逐渐从稳定状态变化为非稳定状态，隧洞的主要破坏区—左侧拱肩和左右侧边墙破坏程度也越来越严重，软弱夹层对隧洞围岩的时效损伤破坏的影响显著增加。

参考文献：

[1]Seokwon J， Jongwoo K， Young S， et al. Effect of a fault and weak plane on stability of a tunnel in rock—a scaled model test and numerical analysis[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences， 2004， 41（Suup. 1）： 658-663.

[2]李连崇，唐春安，粱正召，等. 软弱夹层对深部地下洞室围岩损伤模式的影响[J]. 地下空间与工程学报， 2009， 5（5）： 856-859.

[3]LI L C， Tang C A， Zhu W C. Numerical analysis of slope stability based on gravity increase method[J]. Computers and Geotechnics， 2009， 36（7）： 1246-1258.

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