深埋隧道层状岩体围岩变形破坏过程研究

深埋隧道层状岩体围岩变形破坏过程研究

0通过对岩体材料的研究来计算现在，隧道建设项目深入和长期发展，穿越的地质条件变得越来越复杂。层状岩体是隧道工程中经常遇到的一种岩体,受层理结构面的影响,变形和强度具有明显的各向异性特性,岩体的破坏机理及方式也明显不同于其他岩体。各国学者对层状岩体各向异性及其对围岩稳定性的影响进行了大量的研究。张玉军等在Jaeger研究基础上开发了层状岩体各向异性的弹塑性及三维粘弹塑性有限元程序。Adhikary等研究了Cosserat弹性或弹塑性本构模型,分析了层状岩体的弯曲变形及其破坏方式。肖明等分析了层状各向异性三维非线性弹塑性损伤特征以及对陡倾角岩体地下洞室围岩稳定性的影响。刘学增建立了层状介质的各向异性粘弹性和横观各向同性粘弹性反分析预测模型。Tonon等研究了各向异性对隧道断面收敛的影响。王祥秋等对含软弱夹层的层状围岩采用带转动自由度的Goodman接触面单元进行模拟,提出层状岩体与软弱夹层按横观各向同性材料等效模型计算。谢漠文等利用地质力学模型试验研究了灰、页岩互层岩体中大型群洞开挖过程的围岩变形规律。周晓军等利用模型试验探讨了顺层岩体偏压载荷在隧道衬砌上的应力分布特点及其与不同顺层倾角之间的变化关系。很明显,对于受层状岩体各向异性力学性质影响引起隧道及地下工程围岩的偏压变形和破坏规律仍缺乏系统的研究,其主要原因在于:①层状岩体屈服准则及其本构关系十分复杂,参数多、取值十分困难;②横观各向同性屈服准则和本构关系往往无法用数学公式直接表示,只能采用数值方法计算,其计算过程复杂,计算量巨大。渝沙高速公路共和隧道最大埋深段围岩岩性为薄层状砂质页岩,在开挖过程中多次发生偏压失稳现象,导致多次停工、多次修改设计参数。对于薄层状岩体层理条数众多,且每条层理力学性质不完全相同,如采用数学手段逐一分析每条层理,其过程过于复杂繁琐。物理模型试验针对某一工程影响因素,突出其主要矛盾,真实地模拟复杂地下工程结构、复杂地质构造、复杂地下岩层组合关系,避开复杂的数学手段,直接利用物理模型的“内置”机理“自觉”形成试验过程和结果,在科学研究和解决工程实际问题方面具有独特的优势。因此,针对深埋隧道层状岩体围岩偏压破坏特征,运用物理模型试验及测试技术,研究不同荷载作用下围岩应力分布及变形破坏形态,其研究结果可为理论研究提供可靠科学依据。1基本原则和实验总结1.1大不同地质特征共和隧道位于彭水县共和乡境内,全长4779m,最大埋深1000m,围岩产状为325°∠22.5°,隧道轴线走向231°,路线与岩层走向交角10°,多数地段均以小角度相交。隧道断面设计为三星拱形,洞宽12.0m,高9.4m。隧址区位于四川盆地东南端,大娄山脉北西侧,属乌江侵蚀河谷发育的中低山峡谷地区。区内为单斜构造,无其他大型地质构造。现场地应力测试可知:隧道最大埋深段K42+000～K42+500最大主应力为19.7MPa,与水平面夹角为-62.9°,最小主应力为18.2MPa,最大主应力方向与岩层的倾角方向基本一致,对隧道围岩稳定性较为不利。根据力学测试试验,砂质页岩具有3个明显的特征:①岩体强度较高,具有脆性破坏特征;②隐蔽的层理发育;③沿层理单轴强度大于垂直于层理的强度,具有明显的各向异性特征。1.2相似材料研制根据相似比例关系,在研究隧道围岩的应力、变形和破坏特征相似时,原型与物理模型都应满足的相似指标为Iσ=CσClCγ=1(1)Ισ=CσClCγ=1(1)IE=CEClCγ=1(2)ΙE=CEClCγ=1(2)式中:Cl为几何相似常数;Cσ为应力相似常数;CE为弹性模量相似常数;Cγ为重度相似常数;Iσ为应力相近指数;IE为弹性模型相似指标。模型试验材料的选择至关重要。在进行模型试验时,一般均选择较重的相似材料,从而使Cγ等于或尽量接近1。根据参考文献,在研制相似材料时,采用200目重晶石和120目细砂为骨料,环氧树脂与聚酰胺为粘结剂,汽油为稀释剂,按一定配比研制了具有弹脆性的相似材料,砂质页岩和相似材料的力学参数见表1。综合考虑试验机尺寸、荷载及研究模型范围,取Cl=55,将表1相关数值代入式(1),(2),计算出相似指标IE=0.95,Iσ=0.99,这说明相似材料满足相似条件。砂质页岩与相似材料单轴抗压应力-应变曲线见图1。由图1可知,相似材料应力-应变曲线与砂质页岩非常相似,均具有弹脆性破坏特征。1.3层理模型试件设计砂质页岩具有脆性破坏特征和各向异性的力学性质特性,在相似材料研制过程中首先研制弹脆性力学特征,层理引起的各向异性力学特征主要采用聚四氟乙烯薄膜部分隔断模拟。根据隧道地应力分布特征,最大主应力方向与岩层倾角方向基本一致,即平行于层理面,为了保持最大主应力与层理面一致和模型试件制作方便,层理采用水平布置,隧道模型倾斜与层理形成的夹角为22.5°,见图2。先把设计好的规格为800mm×800mm×200mm的钢制模板安装好(图3),并将其底板水平放于地面。砂质页岩层间粘结力较小,经试验,模型试件层理结构采用聚四氟乙烯薄膜预留50%面积隔断,能满足层间粘结力的要求,形成横观各向同性的层状岩体模型试件,见图3。考虑应变片的长度对应变测试的影响,层间距设计为20mm,根据相似材料的重度,每层质量为3kg。每浇筑一层,振动、捣实相似材料,逐层制作最后形成整体模型试件。在浇筑过程中预埋好应变槽。待物理模型达到初凝强度后,送入烘房内烘烤7d。最后脱模成型,见图4。为了消除隧道二次应力扰动区的影响,试件尺寸应大于隧道跨度3倍以上,按几何相似比确定模型试件跨度为220mm。物理模型试件为800mm×800mm×200mm平面应变模型,模型外侧加设2层砂浆垫层,形成800mm×800mm×800mm三维模型,最后将模型置入大型真三轴岩土工程物理模型试验机。试件与试验机荷载板之间以及模型与垫层之间采用聚四氟乙烯薄膜涂上黄油来进行减摩处理。1.4加载系统和测试技术1.4.1计算荷载和加载大型真三轴岩土工程物理模型试验机具有真三轴模型试验功能,X(左右向),Y(垂直向),Z(前后向)3个方向均由轴向加载系统独立加压,能真实地模拟地下岩层的受力情况,最大载荷均可达3000kN,并由计算机自动控制调节加载大小和加载速度。根据应力相似比,确定模型试件边界应力为0.3MPa,换算成试验机加载荷载,即水平荷载和垂直荷载均为100kN。考虑到加载速率对模型试件的影响,加载速率为1.67kN·min-1,10kN为一级,待加载荷载稳定后采集数据,直至洞室出现大面积破坏后停止加载。由于试验机吨位较大,不能长时间运行,在试验过程中未考虑流变试验。1.4.2静态应变测试系统的建立模型试件围岩的内部应力主要采用BQ-4BA型电阻应变计测量。模型试件共布置6条测线,测线①,②,④穿越层理面,测线③,⑤,⑥测线顺层理布置,各测线测点布置范围控制在1.5倍洞半径,各测点根据层理位置分布有所适当的调整,且应变片粘贴到预先留设的应变槽中(应变片布置见图5),并和温度补偿片一起接入DH3815N静态应变测试系统。1.4.3内部摄影技术在加载过程中采用BT-688型针孔摄影机实时监视物理模型试验围岩内表面破坏的部位及破坏发展特征。2保证模型的加载条件物理模型逐级加载过程中,水平与垂直向应力按1∶1施加,并保证模型的平面应变的加载条件。研制的相似材料具有弹脆性特征,由材料力学原理,根据测点切向应变值ξQ与径向应变值ξr,按平面应力公式可计算出该测点切向应力σQ与径向应力σr。2.1模型重力分析2.1.1围岩破坏深度分析根据原始地应力条件,荷载100kN,即在0.3MPa地应力下,相当于在原岩地应力22MPa情况下围岩的应力曲线,各测线的径向应力和切向应力曲线如图6所示,图6中,r为测点距洞壁的距离;r0为模型隧道半径,取为110mm。根据Talober,Kastner等提出的围岩弹塑性应力分布理论,结合围岩的弹脆性性质,当围岩内部某点的切向应力σQ位于峰值时,可判断该点处于塑性状态,相似材料具有弹脆性破坏特性,该点之前点为破坏区域。当荷载为100kN时,通过分析图6中测线①～⑥的切向应力σQ峰值的大小及位置可得模型试件围岩的破坏范围,并根据几何相似常数Cl=55,可推断原隧道破坏范围,见表2。把表2各测线上测点切向应力最大处的位置通过点划线连接起来,形成隧道围岩的破坏深度范围,如图7所示。由图7可知,垂直于层理面方向的层状岩体围岩破坏范围大于沿层理面方向,形成明显的偏压现象。现场采用SIR-20型地质雷达对隧道ZK41+440围岩松动圈进行探测(图8),围岩破坏范围较大,其中最大破坏范围在垂直于层理面方向,即拱顶和右拱肩达到了8.0m,与物理模型试验破坏范围(图7中点划线范围)相比较,两者破坏范围的轮廓线极为相似,最大破坏范围均出现在垂直于层理面方向,较小破坏范围在沿层理面方向,形成偏压破坏现象。模型试件按几何相似比计算所得的破坏范围与现场探测的结果在数值上还存在差异,主要原因在于原型隧道围岩在实际破坏过程中存在流变破坏,而在模型试验中受试验机性能的影响,未进行流变试验。2.1.2荷载上升过程中围岩应力的变化超载试验可以分析层状岩体在不同荷载下围岩应力变化及分布特征,荷载的加载级数取30,70,100,130,170,190kN,相对的应力约为0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6MPa,受篇幅的影响,选取穿越层理的测线②和平行于层理的测线⑤进行分析。2条测线径向和切向应力与加载应力的关系见图9,10。由图9,10可知,在逐级加载作用下围岩的应力逐渐增加,切向应力峰值向围岩内部移动,即破坏深度向内部发展,松动圈增大。在荷载作用初期,测线②在距洞壁较近点切向应力较大,径向应力较小,主要是岩层受沿层理面压力产生剪切破坏,受应变片面积的影响,剪切力在径向方向表现为拉应力。随着荷载逐级增加,为了达到新的应力平衡,测线②方向(即垂直于层理面方向)切向应力峰值向围岩深部移动,破坏范围逐渐增大,围岩表面产生剥离掉块现象。因此,层状岩体受层理结构面的影响,破坏方式主要是受沿层理面方向压应力而造成的岩层剪切破坏。测线①和测线④均穿越层理,故与测线②破坏机理相同。测线⑤在0.2MPa应力下,距洞壁最近径向应力为拉应力,切向应力值较小,随着荷载的增加,径向应力表现出的拉应力向距洞壁较远处移动,在距洞壁较远0.20r0处才变为正值。随着荷载逐级增加,测线⑤和测线⑥在距离洞壁近处,受到上部岩体变形挤压发生弯折破坏,距洞壁越远,层间的粘结力越大,径向应力才逐渐变成正值产生压缩破坏。因此,沿顺层方向的测线在距洞壁较近处表现为拉应力破坏和弯折破坏,在较远处克服临近2层之间的层间粘结力后产生压缩破坏。2.2围岩破坏阶段利用内窥摄影监测技术,监视隧道围岩在不同荷载下内表面破坏部位及发育形态,见图11。由图11可看出,在0.1MPa应力状态下,围岩均处于稳定状态。在0.2MPa应力状态下,物理模型隧道左拱墙和右拱肩围岩有较小面积的破坏剥离现象,该阶段即为第1阶段(局部破坏阶段);随着荷载增加,在0.3MPa和0.4MPa应力状态下右拱肩部位围岩出现较大面积岩层离层和剥落现象,而左拱墙围岩没继续发生破坏,该阶段为第2阶段(围岩破坏扩展阶段);在0.5MPa和0.6MPa应力状态下,右拱肩围岩出现大面积的破坏,大块的层状岩块从围岩中挤压出来,该阶段在继续加载过程中荷载有下滑趋势,为第3阶段(围岩完全破坏阶段)。2.3围岩走向方向一致时隧道围岩最大破坏范围分析受测试技术限制仅能监测围岩内表面的破坏特征,无法对隧道围岩横剖面破坏及发展实施监视,只能在试验完成后取出物理模型对表面破坏特征及裂纹扩展观察分析。当隧道轴线与岩层走向方向一致时,隧道围岩最大破坏范围位置发生在岩层与隧道轮廓线相切的垂直方向,即垂直于层理面方向破坏范围最大,达到8.5cm,呈明显偏压破坏形态,如图12所示。将图12模型围岩破坏特征放大如图13所示,图13中可观察裂纹扩展发育特征:在垂直于层理方向岩层裂纹呈X型发育,且掉落块体呈楔型体,因此可以判断层状岩体是受沿层理方向的应力挤压而剪切破坏的(图12)。3围岩垂直层理方向偏压破坏特征(1)根据砂质页岩的弹脆性研制了相应的相似材料,并采用聚四氟乙烯薄膜预留50%面积隔