黏土砾石地层隧洞开挖压力拱数值模拟研究.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-1 0-0 6基金项目:国家自然科学基金(4 1 8 3 1 2 7 8);湖州市2 0 2 0年南太湖精英计划领军型创新团队“环太湖智慧地下空间开发关键技术研究及其产业示范应用”专项资金通信作者:石崇(1 9 7 8-),男,教授,博士,主要从事工程地质力学方面的科研与教学工作.E-m a i l:3 0 3 8 1 3 5 0 0q q.c o mD O I:1 0.1 3 3 9 3/j.c n k i.i s s n.1 6 7 2-9 4 8 X.2 0 2 3.0 4.0 0 9引用格式:李同,阮仁酉,石崇,等.黏土砾石地层隧洞开挖压力拱数值模拟研究J.三
2、峡大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 5(4):5 4-6 0.黏土砾石地层隧洞开挖压力拱数值模拟研究李 同1,2 阮仁酉1 石 崇1,2 裴亚兵1 孙冰岐1,2(1.核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司,浙江 湖州 3 1 3 0 0 0;2.河海大学 岩土工程研究所,南京 2 1 0 0 9 8)摘要:为分析黏土砾石层中隧洞开挖时周围土体中拱效应的发展规律,基于离散元的方法研究了不同含石率下土体的位移发展过程,分析了隧洞从开挖到塌方结束过程中应力变化曲线,验证了动态压力拱理论在黏土砾石层中的适用性.结果表明:隧洞顶部的土体位移最大,越靠近隧洞两端越小,受扰动区域的沉降最大值随含
3、石率增加而减小,同时更集中在隧洞顶部;隧洞开挖后,应力变化过程主要分为成拱阶段、坍塌阶段以及稳定阶段,隧洞周围土体的应力呈现环向应力增加、径向应力减小的趋势,在隧洞边墙处出现应力集中现象;通过应力张量十字架来反映土体的应力大小与方向,展示了塌落拱与开挖时步的关系,清楚地显示了拱效应在黏土砾石层中的形态,揭示了拱效应由成型到消失的变化机理,验证了动态压力拱理论在黏土砾石层中的适用性.关键词:黏土砾石;隧洞开挖;离散元;压力拱效应;土体位移中图分类号:U 4 5 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 2-9 4 8 X(2 0 2 3)0 4-0 0 5 4-0 7N u m e r i c a
4、l S i m u l a t i o n R e s e a r c h o n P r e s s u r e A r c h E f f e c t o f T u n n e l E x c a v a t i o n i n C l a y-G r a v e l S t r a t u mL I T o n g1,2 RUAN R e n y o u1 S H I C h o n g1,2 P E I Y a b i n g1 S u n B i n g q i1,2(1.N u c l e a r I n d u s t r y H u z h o u S u r v e y P
5、 l a n n i n g&D e s i g n I n s t i t u t e C o.,L t d.,H u z h o u 3 1 3 0 0 0,C h i n a;2.R e s e a r c h I n s t i t u t e o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g,H o h a i U n i v.,N a n j i n g 2 1 0 0 9 8,C h i n a)A b s t r a c t T o a n a l y z e i n t h e c l a y l a y e r o f g
6、r a v e l w i t h t u n n e l e x c a v a t i o n,t h e s u r r o u n d i n g s o i l a r c h e f f e c t i n t h e l a w o f d e v e l o p m e n t,t h e d e v e l o p m e n t p r o c e s s o f t h e s u r r o u n d i n g s o i l d i s p l a c e m e n t u n d e r d i f f e r e n t s t o n e c o n t
7、e n t a f t e r t h e t u n n e l e x c a v a t i o n w a s s t u d i e d b a s e d o n t h e d i s c r e t e e l e m e n t m e t h o d,a n d t h e s t r e s s c h a n g e c u r v e o f t h e t u n n e l f r o m t h e e x c a v a t i o n t o t h e e n d o f t h e c o l l a p s e w a s a n a l y z e
8、d.T h e r a t i o n a l i t y o f t h e d y n a m i c p r e s s u r e a r c h t h e o r y i n t h e c l a y-g r a v e l l a y e r i s v e r i f i e d.T h e s o i l d i s p l a c e m e n t a t t h e t o p o f t h e t u n n e l i s t h e l a r g e s t,a n d t h e c l o s e r t h e s o i l i s t o t h
9、e t w o e n d s o f t h e t u n n e l,t h e s m a l l e r t h e m a x i m u m s e t t l e m e n t i n t h e d i s t u r b e d a r e a d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e r o c k c o n t e n t,a n d i t i s m o r e c o n c e n t r a t e d a t t h e t o p o f t h e t u n n e l.A
10、f t e r t h e t u n n e l i s e x c a v a t e d,t h e s t r e s s c h a n g e p r o c e s s i s m a i n l y d i v i d e d i n t o a r c h i n g I n t h e s t a g e,i.e.t h e c o l l a p s e s t a g e a n d t h e s t a b l e s t a g e.T h e s o i l a r o u n d t h e t u n n e l s h o w s a t r e n d
11、o f i n c r e a s i n g h o o p s t r e s s a n d d e c r e a s i n g r a d i a l s t r e s s,a n d s t r e s s c o n c e n t r a t i o n o c c u r s a t t h e s i d e w a l l o f t h e t u n n e l.T h e s t r e s s t e n s o r c r o s s i s u s e d t o r e f l e c t t h e s t r e s s m a g n i t u
12、d e a n d d i r e c t i o n o f s o i l,w h i c h s h o w s t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o l l a p s e a r c h a n d e x c a v a t i o n s t e p,c l e a r l y s h o w s t h e s h a p e o f a r c h e f f e c t i n l a y e r s o f c l a y g r a v e l,r e v e a l s t h e c h a n g e m
13、e c h a n i s m o f a r c h e f f e c t f r o m f o r m i n g t o d i s a p p e a r i n g.T h e a p p l i c a t i o n o f d y n a m i c p r e s s u r e a r c h 第4 5卷 第4期2 0 2 3年8月三峡大学学报(自然科学版)J o f C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v.(N a t u r a l S c i e n c e s)V o l.4 5 N o.4A u g.2 0 2 3t h
14、 e o r y i n c l a y g r a v e l l a y e r i s v e r i f i e d.K e y w o r d s c l a y g r a v e l;t u n n e l e x c a v a t i o n;d i s c r e t e e l e m e n t;p r e s s u r e a r c h e f f e c t;s o i l d i s p l a c e m e n t 近年来,为了推动中西部地区的经济发展,地下空间的利用不断加大.在隧道施工过程中,地层条件是十分重要的影响因素,在不同地层条件下开挖的稳定性问题
15、尤为重要.在隧道施工过程中,经常出现掌子面 失 稳、隧 道 塌 方 等 情 况,造 成 巨 大 的 经 济 损失1-2.因此,对于特定地层隧洞开挖压力拱效应和稳定性研究,既具有学术价值又有重要的现实意义.国内外众多学者对于隧道开挖的稳定性和应力拱效应问题的研究日益深入.1 9 0 7年,俄国学者普罗托吉雅科诺夫3提出了基于散体力学的普氏压力拱理论;在块状岩层中有楔块拱结构理论4;1 9 4 3年,基于活动门实验,太沙基5将土压力的转移定义为土拱效应;1 9 9 4年,瑞士学者K o v a r i6提出地下洞室中存在的拱效应.此后,一些学者7-9通过物理实验模拟和数值计算的方法对隧道开挖的成拱
16、机理和稳定性进行分析,深入研究了节理密度及倾角、围岩强度、地应力等因素对应力拱的影响.同时,由于数值模拟的方法在应力分布的可视化处理以及参数分析上有很大优势,K o n g等1 0、昝文博等1 1采用基于连续介质的AN S Y S软件,分析隧道开挖引起的应力扰动特征,指出对应力拱起决定作用的是环向应力,而径向应力影响较小,给出了成拱系数的变化规律:拱顶成拱系数最大,随掌子面开挖成线性增大,边墙成拱系数相对较小.梁晓丹等7分析了水平应力对压力拱的影响,并通过应力分析法区分出压力拱的内外边界.压力拱形成过程中荷载发生转移,应力进行重分布,因此压力拱的研究在隧道的稳定性分析中有着举足轻重的地位.目前
17、对于不同围岩状态下的隧道开挖,砂层、岩层隧道开挖中的拱效应研究已经取得了一定的进展,但是对于土石混合体的拱效应研究并不充分.土石混合体的力学性质十分复杂,同时受到含石率和石块尺寸等影响.本文基于P F C 2 D颗粒流的方法对在不同含石率的黏土砾石层中的隧洞开挖进行研究,观察洞室周围的土体位移、应力特征,并且通过P F C中内置应力张量确定应力拱的内外边界从而验证动态压力拱理论在黏土砾石层的适用性.1 基于隧道围岩渐进性破坏的压力拱理论开挖过程中,围岩在所受荷载的作用下有向凌空面运动的趋势,此过程中压力拱的范围在不断变化,压力拱向围岩深部扩展.由此可见,压力拱的形成具有时间效应,是一个分阶段、
18、分区域的过程,这种认为压力拱是动态发展的,从初始压力拱发展到稳定压力拱的理论称之为“动态压力拱理论”.图1(a)为围岩动态压力拱形成过程示意图.图1 动态压力拱形成过程和演变机理压力拱的动态发展过程:隧道开挖后,首先在隧洞周围岩体的一定范围内形成压力拱;此时隧道围岩的状态并不稳定,压力拱范围内切应力不断减小.荷载的传递路径发生变化,在压力拱的范围之外,外边界附近围岩承担径向荷载,其切应力增大,并且越靠近外边界,切应力增加得越大.由于隧道围岩还处在破坏过程中,不断发生变形或者塌方,压力拱的范围也在持续发生改变,外边界向拱外范围发展.进入外边界内的围岩,切应力减小.不断进行此过程,直到隧道塌方或者
19、压力拱稳定,图1(b)为围岩动态压力拱演变机理.2 隧洞开挖颗粒流模拟为了分析黏土砾石地层开挖时产生的压力拱效应,依托某引水隧洞开挖的地质条件.从细观的角度分析,该地层以黏土砾石为主,含砾石3 0%,磨圆度差,以棱角状玄武岩为主;黏土为高液限黏土.由于该地层的各向异性,在对其进行数值模拟时,可采用P F C 2 D颗粒流在开挖横断面方向进行分析,从而使模拟效果更接近真实情况.2.1 黏土砾石混合体表征方法本文采用P F C 6.0中新型单元r i g i d b l o c k s(刚性块)来模拟块石.相较于采用c l u m p(簇)进行块石模拟,r i g i d b l o c k s作
20、为单一个体与其他块之间存在的接触仅有一个,而在c l u m p中,由于每一个p e b b l e都被视为一块,c l u m p与其他p i e c e之间往往会产生多个接触.由于接触数量判断更准确,所以相对于传55第4 5卷 第4期 李同,等 黏土砾石地层隧洞开挖压力拱数值模拟研究统上使用c l u m p模拟块石,使用r i g i d b l o c k s进行模拟拥有更好的计算性能.为了使模拟块石的轮廓更加贴近实际块石,本文利用数字图像处理技术得到块石轮廓曲线.再通过基于复数傅里叶分析对岩土颗粒随机重构方法1 2对生成的块石轮廓进行重构,生成二维轮廓库,如图2(a)所示.经过重构的
21、颗粒除了轮廓上与实际贴近,在颗粒的粗糙度和纹理等特征上也与实际颗粒十分接近.块石的粒径设置为0.0 80.3 0m,为了研究含石率对于土体变形的影响,设置3 0%、5 0%、7 0%三种不同含石率对块石进行投放.在投放过程中,定义含石率为块石投放面积在模型范围的占比,当含石率超过设计值时停止.为保证投放的块石不重合,每投放一次块石均要保证新投放的块石与已投放块石不重叠.具体操作方法:单一块石可视作一个多边形轮廓,对于二维块石a和二维块石b,只要保证a块石的顶点均不在b块石多边形范围内;同时b块石的顶点也不在a块石多边形范围内,则a,b块石之间没有重叠.对于顶点是否处于多边形范围内采用射线法判断
22、:以顶点为起点,向任意方向作一条射线,计算射线与多边形的交点的数目,若交点数量为偶数,则在多边形外;若为奇数,则在多边形内.当出现射线与多边形边重合的情况时,可改变射线方向重新判断,只要满足一次即可.在P F C 6.0 2 D中可将预先设置的颗粒轮廓进行均一化(等比例缩放令颗粒面积1.0)作为模板,如图2(a)所示,构成二维块石轮廓库,然后设置粒径,生成随机投放的刚性块如图2(b)所示.图2 随机块石生成2.2 细观模型构造方法对实际地层条件下的土石颗粒进行模拟时,会得到几十万、上百万的颗粒,使运行计算速度很慢甚至无法计算.因此,考虑模型边界效应(圣维南原理)来选取模型的边界尺寸,横向3 0
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