PDF《侧压力系数对马蹄形隧道损伤破坏的影响研究》

而前者 是由于结构局部软化,部分乃至全部丧失抵抗外力 的能力.一方面由于开挖扰动在靠近岩面的内部诱 发产生初始裂纹,另一方面引起已经存在的微裂纹 的扩展、贯通或闭合造成岩体力学性能的降低,岩 体被拉断、挤压或剪切成不稳定块体而丧失承载 力,导致隧道围岩局部破坏直至整体失稳.此外, 地应力随埋深的增大而增大,岩石越坚硬,完整程 度越高聚集的弹性能可能越大.岩体失稳也与地形 有关,地形因素会使地应力的最大主应力方向发生 改变,并且在应力条件一定的条件下洞室应力分布 受洞室形状影响显著,不同的洞形其应力集中的部 位和影响范围不同.

3 马蹄形隧道数值试验模型的建立 取马蹄形断面尺寸如图

1 所示.数值试样的尺 寸为

150 mm*150 mm,设定试样中单元尺寸为

436 岩土力学2010 年1mm,计算区域被划分成为

150 mm*150 mm 个四 边形等参单元,单元岩石的力学参数被假定按照 Weibull 分布赋值,均质度为 3.0,弹性模量的平均 值为

70 GPa,单轴抗压强度的平均值为

510 MPa, 压拉强度比为 12.0,该参数所对应的岩石的弹性模 量为

58 GPa, 单轴抗压强度为

150 MPa. 该Weibull 分布可以按照如下分布密度函数表示: ( )

1 0

0 0 exp ( ) m m m u u f u u u u ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1) 式中:u 为满足该分布参数(如弹性模量、泊松比、 强度等)的数值;

0 u 为一个与所有单元参数平均值 有关的参数,但其数值并不是该平均值;

形状参数 m 定义了 Weibull 分布密度函数的形状,反映了数 值模型中材料结构的均匀性,称之为均质度,m 越大,材料细观单元越趋于均匀.把0u和m称为材料 的Weibull 分布参数. 岩石的 Weibull 参数与其所代 表的宏观参数的对应关系见文献[22]. 图1数值模型(单位:mm) Fig.1 The numerical model(unit: mm) 本文采用 RFPA(rock failure process analysis) 系统开展本文的数值模拟工作,本系统已经在岩石 和混凝土等脆性材料的断裂过程方面取得一系列 的研究成果[23C25] ,程序执行的数值计算方法为有限 单元法,主要计算细观单元的应力状态.判断单元 是否发生破坏有

2 个准则, 一个是最大拉应变准则, 另一个是摩尔-库仑准则,当细观单元满足其中之 一时就发生破坏: c0

1 0 kf E ε ? = ;

1 3 c0

1 sin ( )

1 sin f ? σ σ ? + ? ? , ≥ (2) 式中: c0 f 为单元的单轴抗压强度;

0 E 为初始弹性 模量;

k 为单元的单轴抗压与抗拉强度比;

? 为单 元的初始内摩擦角;

1 σ 、

3 σ 为最大和最小主应力;

1 ε 为最大主应变. 式(2)的第

1 式是最大拉应变准则,第2式是摩尔-库仑准则,因此单元可发生拉伸和剪切破 坏.式(2)得到满足后,单元的弹性模量通过下 式衰减: ( )

0 1 E E ω = ? (3) 式中:ω 为损伤模量;

E、

0 E 分别为单元损伤和未 损伤的弹性模量.有关ω 的详述参见文献[22].程 序的静态分析流程如图

2 所示. 图2RFPA2D 程序分析流程图 Fig.2 The flowing chart of the RFPA2D ........