节理岩体隧道塌方机理离散元研究.pdf

第3 7 卷第3 期 2 0 0 8 年5 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 节理岩体隧道塌方机理离散元研究 V 0 1 ．3 7N o ．3 M a y2 0 0 8 王吉亮1 ，陈剑平1 ，苏生瑞2 ，杨静1 1 ．吉林大学建设工程学院，吉林长春1 3 0 0 2 6 ；2 ．长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安7 1 0 0 5 4 摘要为了研究节理岩体隧道塌方机理，依据节理统计与现场节理调查结果划分单元建立计算 模型，采用离散单元法对隧道塌方运动全过程进行模拟，对塌方过程中块体行心处的位移、运动 速度、加速度、应力的变化规律进行分析，总结出节理岩体隧道塌方的过程与特征．结果表明，节 理岩体隧道塌方具有一定的规律性，隧道塌方的全过程可划分为5 个阶段裂隙启动扩展阶段、 裂隙变速扩展阶段、裂隙加速扩展阶段、塌落阶段、塌落完成阶段． 关键词隧道；节理岩体；塌方；离散元；变化规律 中图分类号T U4 5 7文献标识码A文章编号1 0 0 0 一1 9 6 4 2 0 0 8 0 3 0 3 1 6 0 4 S t u d yo fC o l l a p s eM e c h a n i s mo fT u n n e l si nJo i n t e dR o c kM a s s b yD i s t i n c tE l e m e n tM e t h o d W A N GJ i l i a n 9 1 ，C H E NJ i a n - p i n 9 1 ，S US h e n g - r u i 2 ，Y A N GJ i n 9 1 1 ．C o l l e g eo fC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n g ，J i l i nU n i v e r s i t y ，C h a n g e h u n 。J i l i n1 3 0 0 2 6 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fG e o l o g yE n g i n e e r i n ga n dG e o m a t i c s ，C h a n g ’a nU n i v e r s i t y ，X i ’a n ，S h a a n x i7 10 0 5 4 ，C h i n a A b s t r a c t An u m e r i c a lm o d e lb a s e do ni n s i t uj o i n ts t a t i s t i c sw a su s e dt os t u d yt h ec o l l a p s e m e c h a n i s mo fat u n n e li nj o i n t e dr o c km a s s ．T h ec o l l a p s ep r o c e s sw a ss i m u l a t e du s i n gd i s t i n c t e l e m e n tm e t h o da n dt y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o l l a p s ew e r ea n a l y s e d ．T h ed i s p l a c e m e n t ， v e l o c i t y ，a c c e l e r a t i o na n ds t r e s sa te a c hb l o c k ’Sc e n t r o i dw e r er e c o r d e dd u r i n gt h es i m u l a t i o n ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o l l a p s eo ft h et u n n e lh a si t sr e g u l a r i t y ．T u n n e lc o l l a p s ec a nb ed i v i d e di n t of i v es t a g e s e x p a n s i o no fi n i t i a lc r a c k s ；v a r y i n gr a t eo fc r a c ke x p a n s i o n ；a c c e l e r a t e d e x p a n s i o nc r a c k i n g ；c a v i n g ；a n df i n a lc o l l a p s eo ft h es t r u c t u r e ． K e yw o r d s t u n n e l ；j o i n t e dr o c km a s s ；c o l l a p s e ；d i s t i n c te l e m e n t ；c h a n g er u l e 离散单元法 d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d 一般认 为是美国学者C u n d a l l 于1 9 7 1 年提出的[ 1 。2 ] ，随后 该方法又有了新的发展【3 ] ，上世纪9 0 年代，我国学 者王泳嘉等引入了离散元法【z j ，以后该方法又在很 多领域中都得到了深入的探讨与实践．该方法适用 于模拟节理系统或离散颗粒组合体在准静态或动 态条件下的变形过程[ 4 - 5 ] ，最初用来分析岩石边坡 的运动学过程．离散单元法是在准刚性假设的前提 下，以牛顿运动定律为理论基础建立起来的[ 5 ] ，它 是一种非连续的分析方法，有关离散单元法的基本 原理参见文u ‘6 j ． 隧道塌方问题是典型的不连续变形块体的动 力学问题．基于牛顿运动定律的离散单元法可充分 考虑离散块体之问的滑动、转动、大变形、冒落和层 问脱开等运动形态．建立隧道的刚度矩阵、质量矩 阵、荷载矩阵等，根据总势能最小原理建立平衡方 程，通过求解结构矩阵的方法分析块体系统力与位 移的相互关系，能得到大变形，大位移解[ 3 ] ，对隧道 收稿日期2 0 0 7 一0 8 3 0． 基金项目国家自然科学基金项目 4 0 4 7 2 1 3 6 ；教育部优秀青年教师摹金项目 1 2 0 4 1 3 13 3 ；吉林大学“9 8 5 ”计划资助项目 1 0 5 2 1 3 2 0 0 5 0 0 0 0 7 作者简介王吉亮 1 9 8 2 一 ，男，山东省莱州市人，博士研究生，从事地质工程方面的研究． E - m a i l ；d o v e l 6 9 1 2 6 ．c o r D _ T e l 1 3 5 0 0 8 1 4 8 9 5 万方数据 第3 期王吉亮等节理岩体隧道塌方机理离散元研究3 1 7 塌方的全过程进行数值模拟，通过对塌方运动时空 变化规律的分析，可以总结出隧道塌方全过程的破 坏、运动机理． 1 工程概况 乌竹岭隧道地处浙中丘陵盆地边缘，中间高， 南北两端低，海拔高程2 0 9 ．7 “ - 3 7 8 ．7m ，隧道轴线 地表的最高点高程为3 4 0m ，最低点位于出口乌竹 岭下村附近，高程为2 1 0m ，两者高差约1 3 0m ．隧 道中部埋深较大，超过1 2 0m ．地形自然坡度2 2 。～ 3 9 。，局部山体陡峭，构成悬崖，植被发育．隧道区溪 流窄、弯曲，树枝状水系相当发育，一般雨季、洪水 期水量较大，水质较混浊，多弯曲，对周边土体和基 岩冲刷剧烈，形成较深的冲沟，地表水季节性变化 大．地下水主要由孔隙水和基岩裂隙水构成，水量 贫乏．隧道围岩主要为上侏罗统西山头组 J 。X 凝 灰岩．基岩表部覆盖有第四系残坡积层． 乌竹岭隧道位于浙江省东阳市境内，穿越乌竹 岭，南端出口经怀鲁枢纽互通与甬金高速公路相 交．诸暨一永嘉高速公路乌竹岭隧道为分离式隧 道，两线均为直线型，洞轴线间距约为3 9m ，隧道 走向为1 8 0 。．右线 诸暨一永嘉 设计为单向三车 道，右线Ⅳ类围岩区开挖断面如图1 所示，分上下 两台阶开挖，全长6 3 5m ． ／／ 珐傣 ／’ 一一＼ ／5 。，下台醑 ，一 。 l5 8 7c m ． 图1 乌竹岭右线Ⅳ类围岩区开挖断面 F i g ．1 S t a n d a r dc r o s s - s e c t i o nu s e di nI Vg r a d e w a l lr o c ko fW u z h u l i n gr i g h tt u n n e l 2 计算模型与参数选取 2 ．1 计算模型 本文研究区域位于乌竹岭隧道中部，属Ⅳ类围 岩区，模拟区域附近地形情况如图2 所示． 4 2 04 0 03 8 03 6 03 4 03 2 03 ∞2 帅2 6 02 4 0 丽商●气f j 6 0 图2 模拟区域地形图 C o n t o u rm a po fs i m u l a t i o nr e g i o n 0 F i g ．2 该处隧道埋深约1 0 0m ，其中全风化层厚5 ．5 m ，强风化层1 8 ．5m ，弱风化层2 0m ．根据隧道所 处位置，计算区域取为1 4 0m X1 3 0m ．模型边界为 固定边界． 在乌竹岭隧道开挖过程中，对该隧道节理发育 情况做了调查记录，根据研究断面前方4 0m 范围 内8 8 组节理的实测资料，运用赤平投影方法统计 分析，绘制节理极点等密度图 图3 ． 图3 节理极点等密度图 F i g ．3 P o l ep r o i e c t i o ne q u a l d e n s i t ym a po fj o i n t s 由图3 可以清楚的看出，该段隧道优势节理面 有3 组 J 。～J 。 ，结合节理调查资料，可以计算出 优势节理组的平均间距与平均迹长 见表1 ．依据 研究断面前方5m 处掌子面节理调查资料，根据 几何关系推断，研究断面处有2 组缓倾节理 J 。， J 。 产出，这2 组节理节理面平直，且均有泥屑充 填，填充厚度约1c m ，节理数据见表1 ．这5 组节理 J 。～J 。 在开挖面上的投影分别为一8 2 。，一6 4 。， 7 8 。，1 6 。和一1 6 。．由此建立计算模型如图4 所示． 表1乌竹岭隧道计算模型中节理参数 T a b l e1 J o i n tp a r a m e t e r su s e di nt h em o d e lo f W u z h u l i n gt u n n e l 节理组 倾角／ 。倾向／ 。 平均间距／m平均迹长／m J 2 6 62 4 54 ．32 0 ．4 J 3 8 3 1 4 5 4 ．51 0 ．3 J 41 81 1 71 0 ．11 4 ．8 ，s1 82 9 72 0 ．4l O ．2 基于相邻块体可能有相似塌落机理的考虑，于 洞顶处选取相问隔的3 个块体和拱腰部位1 个块 体进行跟踪记录，块体编号依次为1 6 3 8 8 2 8 ， 7 2 0 0 2 8 0 ，6 4 3 5 8 0 ，7 1 8 0 1 9 8 ，图5 中用阴影标记． 图4 乌竹岭隧道离散元计算模型 F i g ．4 D i s c r e t ee l e m e n tm o d e lo fW u z h u l i n gt u n n e l 万方数据 3 1 8中国矿业大学学报 第3 7 卷 拣删 U 处上＼昔f 弘 图5 跟踪块体位置示意图 F i g ．5 S k e t c hm a po ft r a c k e db l o c k 对岩体采用理想弹塑性模型，M o h r - C o u l o m b 强度准则作为屈服准则，对于岩体节理，采用弹性 模型，屈服准则为C o u l o m b 滑动准则．迭代步长为 1 ．4 1 0 一S ，采取自适应阻尼． 2 ．2 岩体物理力学指标 根据工程地质勘察报告和室内岩体力学试验， 计算中所需凝灰岩岩石各项物理力学指标见表2 ． 表2乌竹岭隧道岩体物理力学指标 T a b l e2 P h y s i c sa n dm e c h a n i c sp a r a m e t e r so f W u z h u l i n gt u n n e l 对于岩石节理，其法向刚度和剪切刚度用如下 公式估算[ 6 3 k 。一 E 。E ， i i 面’ 是。一 堡鱼 s G ，一G e ’ 式中k 。，k 。分别为节理法向和切向刚度，G P a ／m ； E 。，E r 分别为等效连续介质的弹性模量和岩石材 料的弹性模量，G P a ；G 。，G ，分别为等效连续介质岩 体的剪切模量和岩石材料的剪切模量，G P a ；s 为岩 体节理的平均问距，m ．其中等效连续介质是与节 理岩体具有相同变形反应的弹性连续介质，等效的 善蒌n 意思是变形等效．应用等效原则结合现场试验成果 计算出等效连续介质的弹性模量和剪切模量，应用 上面公式计算得到节理法向刚度和切向刚度，同时 考虑节理的填充对节理强度的弱化作用，得到岩体 节理的力学特性如表3 所示． 表3 节理力学特性 T a b l e3M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o kj o i n t s 3 离散元模拟成果及分析 根据建立的计算模型，对乌竹岭隧道右洞上台 阶开挖的围岩变形及塌方进行了全过程离散元模 拟．模拟过程共用了1 6 28 9 0 个迭代步长，理论上 每个时问步长为1 ．4 1 0 ～S ，整个迭代过程理论 历时2 2 ．8S ，直观的再现了隧道塌方的全过程，塌 方过程如图6 所示．根据计算结果，整理出不同时 刻跟踪块体的行心位移、行心运动速度、行心加速 度、行心应力特征．各跟踪块体行心处c r y 历时曲线 如图7 所示．根据图7 可看出，块体的塌落过程可 粗略的分为3 个阶段裂隙扩展阶段，塌落阶段和 塌落完成阶段．由图形分析可以得到1 6 3 8 8 2 ”， 7 2 0 0 2 8 ，6 4 3 5 8 0 ，7 1 8 0 1 9 8 裂隙扩展阶段经历的 时问分别为1 ．0 8 ，1 ．6 1 ，1 ．4 1 ，1 ．6 1S ．各块体裂隙 扩展时间段内行心处盯，变化见图8 ． b 岩块塌落l c 岩块塌落2 d 塌方完成 图6 乌竹岭隧道塌方过程 F i g ．6C o l l a p s ep r o c e s so fW u z h u l i n gt u n n e l t | sH s b 7 2 0 0 2 8 4 c 6 4 3 5 8 0 4 图7 各跟踪块体形心处q 历时曲线 T i m ec u r v eo fq a te v e r yt r a c k e db l o c k ’Sc e n t r o i d 从图8 很清楚的看出，块体从模拟洞室开挖到 开始塌落的裂隙扩展过程又可分为3 个阶段 第1 阶段历时0 ．0 3 ～o ．0 6S ，为裂隙启动扩 展阶段．这个阶段中由于洞室的开挖，围岩应力向 临空面释放，使临空面附近节理处应力突然集中， 直致达到节理面强度，应力开始得到释放．由图8 7 g F 矿8以雠 的 万方数据 第3 期王吉亮等节理岩体隧道塌方机理离散元研究3 1 9 可以看出，这阶段块体y 向应力变化较大，速度变 化幅度大，加速度变化幅度大．此阶段为是否产生 块体塌落的关键阶段，若开挖后节理处应力集中较 芒 罢 S 小，则不会产生块体塌落，若应力集中达到节理面 强度，则有第2 阶段的产生． 0 ．5 0 0 罡．05 专．1 0 ．1 ．5 ．2 ．0 F i g ．8 T i m ec u r v eo f 咋a te v e r yt r a c k e db l o c k ’sc e n t r o i da tc r a c k i n ge x p a n ds t a g e 第2 阶段历时0 ．6 4 “ - - 0 ．8 4S ，为裂隙变速扩面释放的过程中，附近节理处应力集中，裂隙扩展， 展阶段．该阶段应力通过裂隙的扩展缓慢释放，应直至贯通，隧道可能发生塌方．塌方各阶段具有承 力变化幅度较小，块体速度变化幅度较大，加速度 接关系，塌方与否与节理面强度和应力释放之问有 变化幅度较大，裂隙缓慢扩展．此时节理面已开始必然联系． 缓慢破坏，若应力初值很大，裂隙的扩展对能量的 会妾奇赫 耗散仍不能使它降到节理面强度以下，裂隙将继续 谬丐x 陬 扩展，进入第3 阶段． [ 1 ] C U N D A L LPA ．Ac o m p u t e rm o d e lf o rs i m u l a t i n g 第3 阶段历时0 ．2 1 ～o ．9 3S ，为裂隙加速扩p r o g r e s s i v el a r g e s c a l em o v e m e n t si nb l o c k yr o c k 展阶段．在这个阶段中，由于裂隙的扩展，节理面强 s y s t e m s [ C ] ／／M u l l e rL e d P r o c e e d i n gS y m p o s i u m 度逐渐降低，应力变化幅度较大，速度变化较均匀， 1 n ‘。r n 8 ‘i 。n 8 1s 0 。i 。‘yR 。。kM e 。h 8 “。8 R o t t e r d a m ．．A 加速耋享售竺要篓竺苎罂Ⅱ曼芝雾烹萋罂- 。。，_ 全．1 _ 篓v j x ，n8 , 焉／裟。主单元法及其在岩土力学中的 结合塌落阶段和塌落完成阶段，隧道的塌方过 。。应用[ M ] ．”茁晶’亲磊芏辜磊菩矗茬，二夏～～“ 程可以分为5 个阶段裂隙启动扩展阶段、裂隙变 [ 3 ] 郑书彦，李占斌，李甲平，等．滑坡侵蚀离散元分析 速扩展阶段、裂隙加速扩展阶段、塌落阶段、塌落完 研究I - J ] ．岩石力学与- E 程学报，2 0 0 5 ，2 4 1 2 成阶段．诸永高速乌竹岭隧道右洞，爆破开挖后不2 1 2 4 2 1 2 8 ． 断有松动岩块掉落，最后发生塌方．本支对该隧道 Z H E N GS h u y a n ，L IZ h a n b i n ，L IJ i a p i n g ，。ta 1 ． 塌方过程、塌方规模、塌方位置的模拟与实际情况 ．S t u d yo nl a n d s l i d ee r o s i o nb yd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d 吻合．根据计算结果，对隧道塌方全过程进行分析， [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i 一 总结分析出隧道塌方的机理，对隧道塌方的各阶段 “e e r i n g ，2 0 0 5 , 2 4 1 2 2 1 2 4 2 1 2 8 进行划分，通过对隧道塌方机理的把握，可以更加 [ 4 ] 焦红光，赵跃民用颗粒离散元法模拟筛分过程[ J ] 有挚的对隧道稳定性进行分析评价，对隧道稳定性篇主’z 2 H 0 0 A O Y 7 , 3 6 u 洫2 2 3 2 s c r - 2 3 ⋯6 ．。i 廿 研究与隧道施工安全有一定的帮助 t i 。nu 。i n g 。fp 。二。l 。d i s 。r e t 。。l 。m 。n tm 。t h 。d [ J ] ． 4 结论 J o u r n a l 。fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l 。一 1 结合地质勘察报告与地质调查资料，运用 [ 5 ] 魏群．散体单元法的基本原理数值方法及程序 离散元方法对节理岩体隧道塌方进行模拟，模拟结[ M ] ．北京科学出版社，1 9 9 1 ． 果可较真实的将现场塌方过程、塌方规模、塌方位 [ 6 ] 夏祥，李俊如，李海波，等．爆破荷载作用下岩体 置还原． 振动特征的数值模拟[ J ] ．岩土力学，2 0 0 5 ，2 6 1 2 总结分析块体的行心位移、行心运动速度、 5 0 一5 6 行心加速度、行心应力特征，隧道的塌方过程可分X I A x i 8 n g L 1J u n 。№uH 8 i ．b 。，。‘a 1 ．u d e cm 。d 一 为5 个阶段裂隙启动扩展阶段、裂隙变速扩展阶 。c l n i n d g 。，o 。f x v p i l b 。r 。a i 。t i n o 口n ] c ．h a R r a 。c 。t k e M j o 。i n 。t h e 。d 。i r 。o 。c ，k 2 m 。。a 5 s 段、裂隙加速扩展阶段、塌落阶段、塌落完成阶段 2 6 1 5 0 一5 6 ． 责任编辑王继红 万方数据