謝良甫，王 博，王輝明，路玉佳

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

軟硬互層圍巖是由2種或2種以上不同材料組成的非均質(zhì)巖體，在隧道、邊坡、地下洞室等地質(zhì)工程中大量存在。由于此類(lèi)互層圍巖結(jié)構(gòu)不完整，圍巖質(zhì)量等級(jí)較差，力學(xué)性能較低，破壞時(shí)力學(xué)特性比較復(fù)雜，易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，給人民財(cái)產(chǎn)及道路交通安全造成重大威脅。大量的室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究認(rèn)為，圍巖層厚比[1-2]、巖層傾角[3- 4]等幾何特征對(duì)圍巖的穩(wěn)定性影響較大。侯志強(qiáng)等[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及能量分析得出，互層圍巖抗壓強(qiáng)度隨巖層傾角的增加呈“U”形變化，30°巖層傾角所需能量最低。陳宇龍等[6]分析了不同巖層傾角下裂紋發(fā)展情況，并對(duì)不同巖層傾角下的圍巖破壞進(jìn)行了分類(lèi)。黃鋒等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得出互層圍巖破壞先從硬層逐漸發(fā)展至軟層，隨著軟層層厚的增加，其破壞峰值強(qiáng)度呈倒“V”形變化。崔華龍等[8]建立了互層巖體三軸數(shù)值模型，分析了不同層厚圍巖對(duì)細(xì)觀(guān)參數(shù)粘聚力、內(nèi)摩擦角變化的影響。謝和平等[9]從能量耗散的角度分析了循環(huán)荷載下巖石破壞過(guò)程中的能量變化，從微觀(guān)角度描述了巖石的損傷演化。李昂等[10]基于FLAC模擬了互層巖體單軸壓縮過(guò)程，認(rèn)為巖層傾角對(duì)互層巖體的力學(xué)特性影響較大，并對(duì)其破壞過(guò)程中裂紋的演化做了描述。此外，在邊坡、公路隧道、礦山等領(lǐng)域，眾多學(xué)者也開(kāi)展了互層巖體的力學(xué)性質(zhì)研究[11-18]。但以上研究都是從互層圍巖破壞的力學(xué)特性角度分析，對(duì)多個(gè)因素影響下互層圍巖破壞過(guò)程中細(xì)微觀(guān)的能量演化分析較少。

本文以烏魯木齊地鐵1號(hào)線(xiàn)隧道中強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖的實(shí)際物理力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，經(jīng)過(guò)顆粒流數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，使模擬結(jié)果能更加真實(shí)反應(yīng)實(shí)際情況，然后進(jìn)行二維單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，分析不同層厚比及巖層傾角下的力學(xué)特性及能量變化過(guò)程，為地鐵建造提供理論參考。

表1 宏細(xì)觀(guān)參數(shù)與標(biāo)定結(jié)果對(duì)比

1 顆粒流計(jì)算

1.1 計(jì)算原理

顆粒流數(shù)值模擬是由球體、墻體(三維)為基本單元所組成的系統(tǒng)，二維為圓盤(pán)、線(xiàn)條組成的系統(tǒng)，圓盤(pán)或球體是不可變形的剛體。為了模擬不同的材料，顆粒之間接觸需要建立本構(gòu)關(guān)系。本文采用的本構(gòu)關(guān)系為平行粘結(jié)模型，平行粘結(jié)模型可以抽象地視為2個(gè)接觸的顆粒產(chǎn)生細(xì)微的重合區(qū)域，二維模型視為1條線(xiàn)，這條線(xiàn)既可以傳遞力，也可以傳遞力矩，隨著荷載的施加，當(dāng)接觸間的力和力矩小于等于零時(shí)，被認(rèn)為平行粘結(jié)模型存在，反之這種本構(gòu)關(guān)系消失。因此，平行粘結(jié)模型比較適合模擬巖石材料[19]。

顆粒流數(shù)值模擬無(wú)側(cè)限單軸壓縮過(guò)程中，顆粒集合體模擬巖體，通過(guò)移動(dòng)并控制墻體的速度，給巖石材料加壓，巖石材料破壞的整個(gè)過(guò)程都可以被顆粒流軟件記錄。Fish語(yǔ)言記錄并計(jì)算墻體上的力，得到軸向應(yīng)力，通過(guò)記錄上下加壓板豎向位移的變化，得到軸向應(yīng)變。

1.2 數(shù)值試驗(yàn)方案

試驗(yàn)固定層厚為2 cm，以巖層傾角、層厚比(強(qiáng)風(fēng)化泥巖與強(qiáng)風(fēng)化砂巖之比)為影響因子進(jìn)行研究，互層圍巖層厚比依次為0.2、0.3、0.5、0.7、1。巖層傾角依次為0°、20°、40°、60°、80°。共計(jì)25組試樣。

2 數(shù)值試驗(yàn)

2.1 模型建立

通過(guò)對(duì)烏魯木齊地鐵1號(hào)線(xiàn)穿越區(qū)域內(nèi)大量的強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖進(jìn)行室內(nèi)單軸及三軸壓縮試驗(yàn)，得出其宏觀(guān)參數(shù)(如粘聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比等)。同時(shí)，在顆粒流數(shù)值模擬軟件中進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，使數(shù)值模擬結(jié)果最大可能反映真實(shí)試驗(yàn)。本文采用高12 cm、寬6 cm的長(zhǎng)方形試樣模擬互層圍巖。在軟件中共生成6 072個(gè)大小不一的顆粒，顆粒的粒徑比為2。經(jīng)過(guò)比較，選擇了平行粘結(jié)模型，共生成16 279個(gè)接觸。采用contact group對(duì)不同層的顆粒賦予相應(yīng)的參數(shù)，以此模擬互層圍巖中的不同層面?；訃鷰r試樣見(jiàn)圖1。圖1中，1、3、5層均為強(qiáng)風(fēng)化泥巖；2、4、6層為強(qiáng)風(fēng)化砂巖。圖1a層厚為2 cm、 層厚比0.3、傾角60°；圖1b層厚2 cm、層厚比0.5、傾角為0°。

圖1 互層圍巖試樣

2.2 參數(shù)標(biāo)定

由于顆粒流數(shù)值模擬軟件中宏觀(guān)參數(shù)與細(xì)觀(guān)參數(shù)沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，需要通過(guò)大量的試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，使宏細(xì)觀(guān)參數(shù)所表現(xiàn)出的力學(xué)特性大致相似。本次主要進(jìn)行了泊松比、彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角的標(biāo)定。宏細(xì)觀(guān)參數(shù)與標(biāo)定結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。從表1可知，宏細(xì)觀(guān)參數(shù)標(biāo)定結(jié)果較為接近，2個(gè)對(duì)應(yīng)的參數(shù)最大差異均小于15%，可以很好地模擬強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖的試驗(yàn)效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圍巖傾角、層厚比對(duì)試樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，圍巖傾角為0°、20°、80°時(shí)，隨著圍巖層厚比的增加，單軸抗壓強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)；圍巖傾角為40°、60°時(shí)，隨著圍巖層厚比的增加，單軸抗壓強(qiáng)度的變化不大。說(shuō)明隨著層厚比的增加，圍巖傾角為0°、20°、80°時(shí)對(duì)圍巖單軸抗壓強(qiáng)度的影響較為明顯，0°時(shí)最為顯著。圍巖傾角為40°、60°時(shí)，圍巖層厚比的變化對(duì)圍巖單軸抗壓強(qiáng)度影響較小，且此時(shí)的圍巖處于比較脆弱的狀態(tài)，在地下隧道施工開(kāi)挖的過(guò)程中，具有這些特點(diǎn)的互層巖體值得更加關(guān)注。

圍巖層厚比為0.2～0.6時(shí)，曲線(xiàn)斜率較大，單軸抗壓強(qiáng)度減小速度快；圍巖層厚比為0.6～1.0時(shí)，曲線(xiàn)斜率較小，單軸抗壓強(qiáng)度減小速度明顯減慢?？梢钥闯?，層厚比為1時(shí)，不同圍巖傾角的單軸抗壓強(qiáng)度基本匯聚于一點(diǎn)，說(shuō)明圍巖傾角的變化對(duì)圍巖單軸抗壓強(qiáng)度影響很小，層厚比越小，對(duì)不同巖層傾角下的單軸抗壓強(qiáng)度的影響越顯著。這主要是因?yàn)閷雍癖仍叫?，?qiáng)風(fēng)化砂巖在軸向壓力的破壞中越起主要作用，而強(qiáng)風(fēng)化砂巖的強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖較強(qiáng)，巖層傾角的變化從一定程度上減小了強(qiáng)風(fēng)化砂巖的作用，造成了圍巖單軸抗壓強(qiáng)度的較大變化。

圖2 圍巖傾角、層厚比對(duì)試樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響

4 破壞機(jī)制分析

為了深入研究互層圍巖不同傾角、層厚比組合下的破壞機(jī)制，分別選取了單軸抗壓強(qiáng)度中間、最大及最小的3組試樣，從裂紋發(fā)展及能量場(chǎng)的演化分析互層圍巖的細(xì)觀(guān)破壞機(jī)制。3組試樣參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 3組試樣參數(shù)

4.1 裂紋圖像分布特征

A、B、C這3組試樣破壞后的裂紋分布見(jiàn)圖3。圖3中，淺色為剪切裂紋，深色為拉伸裂紋。從細(xì)微觀(guān)角度看，剪切裂紋的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于拉伸裂紋，這主要與平行粘結(jié)模型中的切向粘結(jié)強(qiáng)度與法向粘結(jié)強(qiáng)度比值有關(guān)。從圖3可知，3組試樣中軟巖主要為塑性破壞，產(chǎn)生大量的剪切裂紋及少量的拉伸裂紋；硬巖主要為脆性破壞，由大量拉伸裂紋及少量剪切裂紋組成，或者由于軟巖較厚，硬巖還未發(fā)生破壞，圍巖試樣就達(dá)到了停止加壓條件。

A組試樣2、4層出現(xiàn)了貫穿的拉伸裂紋及少量的剪切裂紋，1、3、5層有大量的剪切裂紋，主要破壞形式為脆性破壞。B組試樣只有第4層有1條彎曲的宏觀(guān)的拉伸裂紋，1、3、5層有大量的剪切裂紋，破壞形式以塑性破壞為主。C組試樣主要是1、3、5層的剪切裂紋，而且剪切裂紋不像A、B試樣為大量充滿(mǎn)，主要是由于C組試樣巖層傾角較大，發(fā)生了層與層之間的細(xì)微相對(duì)位移造成的。

圖3 3組試樣裂紋

4.2 裂紋發(fā)展特征

顆粒間的接觸由于受到集中力的作用產(chǎn)生裂隙，隨著集中力的持續(xù)增加產(chǎn)生裂紋，集中應(yīng)力由剪切應(yīng)力和拉伸應(yīng)力組成。圖4為互層圍巖裂紋總數(shù)量隨應(yīng)變變化趨勢(shì)。從圖4可知，3組裂紋基本在同一軸向應(yīng)變開(kāi)始發(fā)展，A組單軸抗壓強(qiáng)度最大，裂紋發(fā)展曲線(xiàn)較為平緩，裂紋數(shù)量在后期迅速增加，主要是由于試樣發(fā)生明顯破壞引起的。C組單軸抗壓強(qiáng)度最小，裂紋發(fā)展最為迅速，裂紋數(shù)最少。B組單軸抗壓強(qiáng)度接近于C組，裂紋數(shù)量卻與A組接近，裂紋發(fā)展曲線(xiàn)較為陡峭。B、C組雖然單軸抗壓強(qiáng)度差異不大，但由于其不同的層厚比及圍巖傾角組合，使其裂紋發(fā)展的數(shù)量快慢也有較大差異。由此可知，圍巖傾角、層厚比對(duì)裂紋發(fā)展的快慢及裂紋數(shù)量的多少都有一定影響。

圖4 裂紋發(fā)展特征

4.3 能量發(fā)展特征

互層巖體壓縮破壞過(guò)程是顆粒間發(fā)生了能量的積累、轉(zhuǎn)化與釋放。互層圍巖試樣破壞過(guò)程中應(yīng)變能和摩擦能組成總的勢(shì)能，應(yīng)變能由顆粒應(yīng)變能和平行粘結(jié)應(yīng)變能組成。當(dāng)處于荷載下的應(yīng)變能逐漸積累達(dá)到巖體承受能量的極限時(shí)，巖體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化隨即釋放能量，在宏觀(guān)上產(chǎn)生試樣的破壞，同時(shí)釋放的應(yīng)變能也會(huì)迅速的轉(zhuǎn)化為摩擦能。

不同組的能量發(fā)展特征見(jiàn)圖5。從圖5可知，單軸抗壓強(qiáng)度越大，其應(yīng)變能及峰值越大，摩擦能受單軸抗壓強(qiáng)度的影響不確定。A組圍巖的應(yīng)變能積累到峰值時(shí)迅速下降，而其摩擦能卻在此刻急速上升，說(shuō)明兩者之間發(fā)生了能量的轉(zhuǎn)化；B組的應(yīng)變能及摩擦能都比較小，但依然可以看到一個(gè)能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程；而C組由于其圍巖傾角及層厚比的特殊組合，應(yīng)變能積累過(guò)程相對(duì)微小，很快觸發(fā)摩擦能迅速增加，這也進(jìn)一步說(shuō)明了C組圍巖產(chǎn)生了層與層之間較為明顯的摩擦，而在圍巖試樣破碎后，應(yīng)力釋放，摩擦能出現(xiàn)了降低的情況。因此，由于圍巖層厚比及巖層傾角的不同組合，其破壞中能量的演化也有很大的區(qū)別。

圖5 能量發(fā)展特征

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于顆粒流數(shù)值模擬，對(duì)不同幾何特征的互層巖體進(jìn)行了單軸壓縮模擬，并分析了不同幾何特征對(duì)互層巖體單軸抗壓強(qiáng)度、裂紋、能量的影響。研究可知，隨著圍巖層厚比的增加，不同的巖層傾角對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響不同；隨著巖層傾角的增加，不同的層厚比對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響也不同，但總體上呈“U”形變化趨勢(shì)。不同層厚比、巖層傾角組成的3組試樣的裂紋個(gè)數(shù)、發(fā)展趨勢(shì)及裂紋的分布都有較大差異。3組試樣中，不同的層厚比、巖層傾角的組合造成較大的能量演化差異，由于破壞模式的不同，使得摩擦能出現(xiàn)了不同于應(yīng)變能的能量演化。

需要說(shuō)明的是，關(guān)于層厚比、巖層傾角這2個(gè)因素對(duì)裂紋及能量影響哪個(gè)更為敏感，需要進(jìn)一步探究。