趙 勐, 肖 明, 陳俊濤 ,左雙英

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430072; 2. 武漢大學(xué) 水工巖石力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430072; 3. 貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025)

層狀巖體在復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造作用下,由于具有多種優(yōu)勢(shì)節(jié)理面,其力學(xué)行為和破壞模式與一般巖體相異,表現(xiàn)出明顯的各向異性[1],如瑯琊山抽水蓄能電站、烏東德和白鶴灘水電站等.層狀巖體的結(jié)構(gòu)依其所賦存地質(zhì)環(huán)境的多樣性而具有不同形式,王思敬等[2]將其劃分為3種主要類(lèi)型:互層狀結(jié)構(gòu)、薄層狀結(jié)構(gòu)和夾層狀結(jié)構(gòu).在層狀巖體中進(jìn)行地下工程建設(shè),尤其對(duì)于軟硬互層狀巖體,由于其既具有層狀巖體變形和強(qiáng)度性質(zhì)的各向異性特征,又受到巖體軟硬互層的影響,當(dāng)巖層傾角較大時(shí),結(jié)構(gòu)面發(fā)育明顯,在構(gòu)造應(yīng)力作用下,層間剪切、擠壓破碎帶較為常見(jiàn).因此,針對(duì)互層狀巖體,考慮不同巖性介質(zhì)相互接觸作用對(duì)巖土體發(fā)生剪切滑移破壞的影響,能更好地描述巖體破壞模式,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于層狀巖體模擬主要有兩類(lèi)方法,一種是將層狀巖體分離成層間巖塊和層面,分別采用不同模型來(lái)模擬這兩種介質(zhì),黃書(shū)嶺等[3]分別對(duì)母巖和節(jié)理面建立不同的屈服準(zhǔn)則,提出層狀巖體多節(jié)理本構(gòu)模型,描述其變形和強(qiáng)度各向異性;徐國(guó)文等[4]采用基于PFC-FLAC的連續(xù)-離散耦合算法,對(duì)巖石和層理面用不同本構(gòu)模型模擬,并運(yùn)用于層狀軟巖隧道圍巖的穩(wěn)定性分析中;另一種是將節(jié)理面等效考慮進(jìn)巖體中,把層狀巖體看成是橫觀各向同性體,利用層狀彈性體系力學(xué)理論分析其變形和強(qiáng)度性質(zhì)的各向異性特征.該方向的研究主要?dú)w結(jié)為以下兩類(lèi):

1) 基于張量函數(shù)形式的強(qiáng)度準(zhǔn)則.Pietruszczak等[5]引入微結(jié)構(gòu)張量aij,將各向同性準(zhǔn)則映射到各向異性中;鐘世英等[6]將微結(jié)構(gòu)張量參數(shù)引入到Jaeger針對(duì)巖體沿節(jié)理面滑移破壞提出的M-C準(zhǔn)則中,并將其運(yùn)用到白鶴灘水電站的柱狀節(jié)理分析中;李良權(quán)等[7]提出一種改進(jìn)的各向異性Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則,并進(jìn)行參數(shù)敏感性分析;但上述方法引入?yún)?shù)過(guò)多且確定麻煩.

2) 引入各向異性函數(shù)的強(qiáng)度準(zhǔn)則.該法主要將層面對(duì)巖體破壞的影響因素及材料力學(xué)參數(shù)的各向異性考慮進(jìn)各向同性的屈服準(zhǔn)則中,推導(dǎo)巖體強(qiáng)度與相關(guān)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系.Jaeger[8]認(rèn)為抗剪強(qiáng)度是破壞面與主應(yīng)力夾角的函數(shù),并給出相關(guān)的表達(dá)式;Zhang等[9]在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上提出具體的層狀巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角的表達(dá)式;韓昌瑞等[10]建立相應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)方程,引入到M-C屈服準(zhǔn)則中,并運(yùn)用到深埋長(zhǎng)隧道錨固支護(hù)中.

本文針對(duì)互層狀巖體采用“隱含層面”的建模技術(shù),在計(jì)算中通過(guò)輸入層面方位角實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、位移和荷載在層狀法向坐標(biāo)系和整體坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換[11].對(duì)于軟、硬互層交界面處,由于層間剪切錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育,需考慮其應(yīng)力及位移在層面兩側(cè)的不連續(xù)性[12],但常規(guī)連續(xù)有限元模型難以解決這個(gè)問(wèn)題,本文引入FLAC3D專(zhuān)門(mén)模擬巖土體接觸面力學(xué)行為的界面單元[13],分析計(jì)算中可能出現(xiàn)的多種接觸狀態(tài)并提出判別修正方法.針對(duì)接觸面邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)生的嵌入問(wèn)題,基于Desai薄層單元的嵌入控制方法[14],改進(jìn)界面單元邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)生嵌入時(shí)的迭代算法.以巴基斯坦阿扎德帕坦水電站互層狀巖體為例,應(yīng)用本文的研究方法,分析在構(gòu)造應(yīng)力作用下,不同巖性介質(zhì)相互接觸作用對(duì)互層狀巖體層間剪切擠壓帶和地下洞室的影響,以期對(duì)復(fù)雜互層狀巖體中地下洞室圍巖穩(wěn)定分析進(jìn)行有益探索.

1 層狀巖體彈性本構(gòu)關(guān)系

在地質(zhì)構(gòu)造作用下,層狀各向異性巖體由于優(yōu)勢(shì)層理面的存在,具有明顯的變形各向異性.一般將其等效處理成橫觀各向同性介質(zhì),在平行于層面方向是各向同性的,在垂直于層面方向具有與層面不同的彈性主方向.依據(jù)層狀彈性體系力學(xué)理論[15],層狀法向坐標(biāo)系下層狀各向異性介質(zhì)的彈性矩陣如式(1)所示:

(1)

E1/2(1+μ1);G2=E1E2/[E1(1+2μ1)+E2];

由于局部的層狀法向坐標(biāo)系通常與計(jì)算的整體坐標(biāo)系不一致,需要通過(guò)三維坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣R和應(yīng)力轉(zhuǎn)換矩陣S將層狀法向坐標(biāo)系Ox′y′z′下的剛度矩陣Κ′和彈性矩陣D′轉(zhuǎn)換到整體坐標(biāo)系Oxyz下的剛度矩陣Κ和彈性矩陣D[11]:

K=RTΚ′R;

(2)

D=STD′S.

(3)

2 互層狀巖體接觸系統(tǒng)數(shù)值模型

對(duì)于互層狀巖體,在水平向構(gòu)造應(yīng)力和豎直向自重應(yīng)力聯(lián)合作用下,層間剪切、擠壓破碎帶發(fā)育,此種破壞特性在陡傾角巖層下更為常見(jiàn),互層狀巖體介質(zhì)在外荷載作用下將難以保持整體連續(xù)變形.本文基于FLAC3D界面單元接觸理論[13],推導(dǎo)出4種不同接觸狀態(tài)的判別準(zhǔn)則及修正方法,對(duì)接觸邊界節(jié)點(diǎn)相互“嵌入”時(shí)的迭代方法進(jìn)行改進(jìn),從而解決互層狀巖體層間非整體連續(xù)變形問(wèn)題.

2.1 接觸面本構(gòu)模型

本文的計(jì)算模型通過(guò)在互層狀巖體層間接觸部位設(shè)置FLAC3D中提供的界面單元的方法來(lái)模擬其接觸特性.界面單元是無(wú)厚度接觸面單元,附屬于三維實(shí)體單元的網(wǎng)格面,由一系列三節(jié)點(diǎn)的三角形平面單元構(gòu)成.因此,不像等效連續(xù)模型一樣層間網(wǎng)格共用同一節(jié)點(diǎn),接觸面模型可以模擬互層狀巖體層間滑移和分離行為[13].

未施加外荷載時(shí),接觸面處于黏結(jié)狀態(tài),其本構(gòu)模型如圖1所示,接觸面的法向和切向接觸力分別由下式確定:

(4)

(5)

圖1 接觸面單元的本構(gòu)關(guān)系示意圖

2.2 接觸邊界條件

外荷載施加前,互層狀巖體接觸面上接觸節(jié)點(diǎn)處于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的接觸方式,接觸點(diǎn)對(duì)間存在黏結(jié)力.如圖2所示,對(duì)于發(fā)生接觸的兩種介質(zhì)M1,M2,相應(yīng)的接觸邊界上的點(diǎn)對(duì)i和i′需要滿(mǎn)足接觸邊界條件,包括位移接觸條件和接觸力邊界條件.

對(duì)于接觸面兩側(cè)的物質(zhì),在法向上假定其不會(huì)相互嵌入，即滿(mǎn)足法向接觸條件;在切向上當(dāng)接觸面接觸時(shí),若無(wú)相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生,則點(diǎn)對(duì)還應(yīng)滿(mǎn)足切向位移協(xié)調(diào)條件,如式(6)所示:

n·(ui′-ui)+d0≥0 ;

(6)

(7)

式中:n為接觸節(jié)點(diǎn)對(duì)的法線(xiàn)方向矢量;d0為接觸節(jié)點(diǎn)對(duì)i和i′的初始法向間隙;t代表與法線(xiàn)方向矢量n對(duì)應(yīng)的切線(xiàn)方向矢量.

圖2 接觸示意圖

發(fā)生接觸時(shí),接觸面兩側(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì)的法向接觸力Rn1,Rn2和切向接觸力Rs1,Rs2需滿(mǎn)足以下條件:

(8)

式中，c,φ為接觸面的黏聚力和內(nèi)摩擦角.

2.3 接觸面屈服準(zhǔn)則

2.3.1 拉伸破壞

對(duì)垂直于接觸面的拉伸破壞情況,先計(jì)算沿接觸面法向局部坐標(biāo)下的應(yīng)力分量:

σ′=STσ.

(9)

根據(jù)單軸拉伸強(qiáng)度準(zhǔn)則,由局部坐標(biāo)下的應(yīng)力分量校核接觸面發(fā)生拉伸破壞時(shí)的應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)

(10)

說(shuō)明接觸面的局部法向應(yīng)力超過(guò)極限抗拉強(qiáng)度Rt,接觸面節(jié)點(diǎn)脫離目標(biāo)面,產(chǎn)生縫隙且切應(yīng)力和正應(yīng)力變?yōu)?.

2.3.2 剪切滑移破壞

對(duì)平行于接觸面的破壞情況,根據(jù)Coulomb抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則校核沿接觸面是否發(fā)生滑移:

(11)

式中:f為接觸面的摩擦系數(shù);k為接觸面滑動(dòng)安全系數(shù).此時(shí)沿接觸面方向?qū)l(fā)生剪切滑移破壞.

2.4 接觸狀態(tài)判別準(zhǔn)則及修正方法

根據(jù)接觸面邊界上節(jié)點(diǎn)對(duì)的位移相互關(guān)系和受力狀態(tài),結(jié)合Coulomb抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則和法向抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則,分析節(jié)點(diǎn)對(duì)可能存在的4種接觸狀態(tài):黏結(jié)、滑移、張開(kāi)和嵌入狀態(tài).接觸面上的節(jié)點(diǎn)荷載和該節(jié)點(diǎn)所處的接觸狀態(tài)有關(guān),在彈塑性非線(xiàn)性分析時(shí),節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)生滑移時(shí)超出抗剪強(qiáng)度的切向接觸力和發(fā)生張開(kāi)時(shí)超出抗拉強(qiáng)度的法向接觸力需進(jìn)行轉(zhuǎn)移[11].由于黏結(jié)接觸無(wú)需對(duì)接觸力進(jìn)行修正，故對(duì)滑移、張開(kāi)和嵌入這3種接觸狀態(tài)的判別準(zhǔn)則及修正方法詳述如下.

2.4.1 滑移接觸狀態(tài)

對(duì)于接觸面邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)生滑移時(shí),需對(duì)下式進(jìn)行判斷:

(12)

(13)

若節(jié)點(diǎn)對(duì)同時(shí)滿(mǎn)足式(12)和式(13)條件,則判定節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)生滑移.此時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)的受力情況如下式所示:

(14)

此時(shí),沿接觸面方向節(jié)點(diǎn)對(duì)將發(fā)生剪切滑移,應(yīng)將超出抗剪強(qiáng)度的切向力

ΔRsi=Rsi-(cA+Rnitanφ),i=1,2

(15)

進(jìn)行轉(zhuǎn)移,將其轉(zhuǎn)換成等效節(jié)點(diǎn)荷載,并將所有接觸面單元的上述節(jié)點(diǎn)荷載累加，作為下一時(shí)步的增量荷載,同時(shí)該組節(jié)點(diǎn)對(duì)的法向接觸力和切向接觸力修正如下:

(16)

2.4.2 張開(kāi)接觸狀態(tài)

對(duì)于接觸面邊界節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)生張開(kāi)時(shí),需對(duì)式(12)中變量H值進(jìn)行判斷.

若H>d0,則判定節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)生張開(kāi),此時(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)間不傳力,法向剛度及切向剛度參數(shù)均設(shè)置為0,即此時(shí)步中該節(jié)點(diǎn)對(duì)的法向和切向接觸力均修正為

(17)

直至該節(jié)點(diǎn)對(duì)重新閉合.需注意的是，對(duì)于發(fā)生開(kāi)裂破壞的單元,在上述處理過(guò)后,直接標(biāo)記分離狀態(tài),不再進(jìn)行額外處理.

2.4.3 嵌入接觸狀態(tài)及調(diào)整

對(duì)上述兩種接觸狀態(tài)進(jìn)行判斷及節(jié)點(diǎn)力修正時(shí),還需進(jìn)行節(jié)點(diǎn)對(duì)位移判別,以檢查接觸面兩側(cè)節(jié)點(diǎn)是否發(fā)生嵌入.對(duì)發(fā)生嵌入的節(jié)點(diǎn)對(duì),基于Desai薄層單元的嵌入控制方法[14],對(duì)其位移和節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行修正,使相互侵入的節(jié)點(diǎn)退回到黏結(jié)或滑移接觸狀態(tài),具體步驟如下:

1) 遍歷每一接觸面兩側(cè)節(jié)點(diǎn)對(duì),計(jì)算式(12)中變量H值;

2) 若H≥0,則節(jié)點(diǎn)對(duì)未發(fā)生嵌入,繼續(xù)遍歷下一組節(jié)點(diǎn)對(duì);

3) 若H<0,則節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)生嵌入,應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)對(duì)的位移進(jìn)行修正.計(jì)算α值如下:

(18)

式中，λ為控制嵌入判別精度的百分?jǐn)?shù),通常取1%[14],當(dāng)節(jié)點(diǎn)對(duì)嵌入值小于λd0時(shí),忽略不計(jì).

(19)

將求得的節(jié)點(diǎn)修正荷載ΔQ按等值反向的原則施加在接觸面兩側(cè)的節(jié)點(diǎn)對(duì)上,更新節(jié)點(diǎn)接觸力,重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)變形,得到新的點(diǎn)對(duì)法向位移,依此循環(huán)迭代直至滿(mǎn)足平衡條件.

2.5 接觸判別計(jì)算流程

在進(jìn)行互層狀巖體層間接觸計(jì)算時(shí),先假定初始時(shí)步內(nèi)接觸節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)相對(duì)滑動(dòng),均處于黏結(jié)接觸狀態(tài).基于接觸邊界條件,求解當(dāng)前時(shí)步下節(jié)點(diǎn)對(duì)法向、切向的接觸力及位移,判別節(jié)點(diǎn)的接觸狀態(tài)并修正.在本文所提出的接觸判別迭代計(jì)算中,需注意的是,對(duì)于節(jié)點(diǎn)處于張開(kāi)狀態(tài),在進(jìn)行接觸力修正時(shí),認(rèn)為節(jié)點(diǎn)先退回至黏結(jié)接觸,再達(dá)至其余接觸狀態(tài)[16].具體接觸判別計(jì)算流程見(jiàn)圖3所示.

3 工程實(shí)例及分析

3.1 工程概況

阿扎德帕坦水電站位于巴基斯坦的Jhelum河上,為該河段水電開(kāi)發(fā)中的一級(jí).引水發(fā)電系統(tǒng)位于河流左岸,電站采用地下廠房“一洞室”方案,僅保留主機(jī)洞室,主變電站及開(kāi)關(guān)站均布置在戶(hù)外,主廠房?jī)?nèi)安裝4臺(tái)機(jī)組,機(jī)組間距為40.0 m,主機(jī)洞室開(kāi)挖尺寸長(zhǎng)×寬×高為175.6 m×24.9 m×60.15 m.

阿扎德帕坦水電站工程區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,廠房區(qū)基巖巖性為砂巖與非砂巖類(lèi)，呈互層狀分布,且具有層狀各向異性特征.地層主要為單斜構(gòu)造,巖層總體走向NE10°,傾向NE,傾角65°～75°(地表較緩,廠房部位較陡)；受構(gòu)造應(yīng)力影響,層間剪切、擠壓破碎帶較為常見(jiàn).

圖3 接觸判別計(jì)算流程

3.2 計(jì)算模型和計(jì)算條件

綜合分析該水電站的地形、地質(zhì)特征,考慮到互層狀巖體發(fā)育明顯,本文在計(jì)算時(shí)主要選取穿越2號(hào)、4號(hào)機(jī)組段的Ⅳ類(lèi)巖層與周?chē)蘑箢?lèi)巖層共同組成互層狀巖體為研究對(duì)象,計(jì)算模型均采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行離散,共剖分了266 104個(gè)單元和278 775個(gè)節(jié)點(diǎn),其中開(kāi)挖單元26 784個(gè),如圖4、圖5所示.三維計(jì)算坐標(biāo)x軸順?biāo)飨蚺c廠房縱軸線(xiàn)方向垂直,y軸與廠房縱軸線(xiàn)方向重合,z軸與大地坐標(biāo)重合,3個(gè)方向的計(jì)算范圍分別為170,160,236.80 m.根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的資料,錨固支護(hù)型式及參數(shù)見(jiàn)表1,共分7期進(jìn)行開(kāi)挖計(jì)算分析,開(kāi)挖分期模型見(jiàn)圖5.

圖4 互層狀巖體三維有限元模型

圖5 開(kāi)挖支護(hù)模型

表1 洞室支護(hù)型式及參數(shù)

三維初始應(yīng)力場(chǎng)根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的實(shí)測(cè)地應(yīng)力反演分析得到,側(cè)壓力系數(shù)取kx=1.3,ky=1.4,kz=1.1.互層狀巖體砂巖與泥巖材料物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表2.開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)釋放開(kāi)挖單元應(yīng)力并將其施加到開(kāi)挖臨空面周?chē)鷨卧獊?lái)模擬開(kāi)挖釋放荷載,該地下廠房在開(kāi)挖過(guò)程中采用噴錨支護(hù)等支護(hù)措施[17].錨桿和錨索的模擬采用FLAC3D中的Cable單元[13],能有效模擬錨桿對(duì)圍巖的加固效果.

計(jì)算工況分兩種:①采用橫觀各向同性模型分析互層狀巖體對(duì)開(kāi)挖地下洞室的影響;②采用本文改進(jìn)的界面單元模擬互層狀巖體層間相互接觸作用對(duì)開(kāi)挖地下洞室的影響.

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

為了論證采用本文改進(jìn)的界面單元模擬互層狀巖體層間剪切、擠壓破壞的合理性,本文分別采用橫觀各向同性模型和含界面單元模型進(jìn)行數(shù)值模擬,選取主廠房洞室對(duì)比分析錨固支護(hù)分期開(kāi)挖下洞周?chē)鷰r的變形和應(yīng)力分布規(guī)律.

3.3.1 圍巖變形分布規(guī)律

對(duì)于工況①,采用不考慮接觸的橫觀各向同性模型進(jìn)行分析計(jì)算(見(jiàn)圖6a),廠房開(kāi)挖完畢,洞周?chē)鷰r變形在3.00～9.00 cm,最大變形量出現(xiàn)在泥、砂巖層間過(guò)渡處10 m范圍內(nèi),邊墻位移從上至下先增大后減小.由于將層面等較大的節(jié)理等效考慮進(jìn)巖體單元中,圍巖層間相對(duì)位移為0,互層狀巖體在巖層面兩側(cè)位移變化連續(xù),沒(méi)有出現(xiàn)位移值的不連續(xù)跳躍情況.

對(duì)于工況②,采用本文考慮多種接觸狀態(tài)的含界面單元模型(見(jiàn)圖6b),廠房開(kāi)挖完畢,洞周?chē)鷰r變形在5.00～13.00 cm,相對(duì)于工況①增大約2.00～4.00 cm.從圖6b可以看出,互層狀巖體在層間出現(xiàn)了錯(cuò)動(dòng)位移,取主廠房頂拱、邊墻和底部不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,主廠房洞室各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處錯(cuò)動(dòng)位移隨開(kāi)挖分期的變化如圖7所示. 隨開(kāi)挖進(jìn)行,頂拱的位移逐步發(fā)生回彈,錯(cuò)動(dòng)位移值略有減小,最終穩(wěn)定在0.48 mm附近,主廠房洞室其余各部位的錯(cuò)動(dòng)位移值逐漸增大.尤其對(duì)于上下游邊墻側(cè),在開(kāi)挖至第3～4期時(shí),高邊墻逐漸形成,錯(cuò)動(dòng)位移值增加較為明顯,開(kāi)挖完畢時(shí),該位移值約為4.91～5.25 mm,局部最大值出現(xiàn)在邊墻側(cè)中下部(見(jiàn)圖7),該處高邊墻效應(yīng)明顯,是圍巖穩(wěn)定分析中重點(diǎn)支護(hù)部位.對(duì)比兩種工況,結(jié)果表明對(duì)于互層狀巖體,當(dāng)考慮層間接觸作用后,圍巖變形要比等效連續(xù)模型的略大,且導(dǎo)致廠房邊墻側(cè)產(chǎn)生的相對(duì)變形要比頂拱和底部大,層間接觸面處于滑移狀態(tài).

圖6 主廠房洞周位移分布

圖7 主廠房洞室圍巖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位移變化過(guò)程

3.3.2 圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

采用不考慮接觸的橫觀各向同性模型進(jìn)行模擬時(shí)，主廠房洞室開(kāi)挖完畢，圍巖邊墻側(cè)第一主應(yīng)力不斷減小，在邊墻一定范圍內(nèi)形成了應(yīng)力松弛區(qū)，量終第一主應(yīng)力穩(wěn)定分布在-4.65～-0.96 MPa，第三主應(yīng)力分布在-1.23～0.20 MPa.由圖8a可知，互層狀巖體在層間剪切帶附近主應(yīng)力值有所降低，降幅在1.0 MPa左右，該附近應(yīng)力云圖沿接觸面向下突出，但是仍然保持連續(xù)變化，未產(chǎn)生突變.

工況②采用本文考慮多種接觸狀態(tài)的含界面單元模型進(jìn)行計(jì)算分析,開(kāi)挖完畢后,主廠房洞室邊墻側(cè)第一主應(yīng)力分布在-6.68～-1.05 MPa,第三主應(yīng)力分布在-2.03～0.41 MPa,相較于工況①的計(jì)算結(jié)果,應(yīng)力增加約為10.53%～43.66%,上下游邊墻側(cè)局部拉應(yīng)力超過(guò)巖體抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致部分圍巖開(kāi)裂破壞,且主要出現(xiàn)在層間剪切帶附近(見(jiàn)圖9b).表明對(duì)于互層狀巖體,泥、砂巖軟硬間錯(cuò)分布,軟巖穿過(guò)部分廠房邊墻處應(yīng)力較大,受力情況復(fù)雜,層狀巖體層間相對(duì)滑移對(duì)廠房開(kāi)挖時(shí)應(yīng)力擾動(dòng)影響較大.

圖8 主廠房洞周?chē)鷰r第一主應(yīng)力分布

圖9 主廠房洞周?chē)鷰r第三主應(yīng)力分布

工況②采用改進(jìn)的界面單元接觸算法,在層間接觸帶兩側(cè)應(yīng)力的變化不連續(xù),軟巖與兩側(cè)硬巖的應(yīng)力值相差較為明顯,呈現(xiàn)交錯(cuò)分布現(xiàn)象[18].從圖8b和圖9b可看出,在互層狀巖體層間過(guò)渡處,第一主應(yīng)力值出現(xiàn)明顯跌落,應(yīng)力降幅在1.4 MPa左右,第三主應(yīng)力降幅在0.6 MPa左右.

從圖8和圖9可以看出,采用改進(jìn)的接觸面單元模擬互層狀巖體層間的接觸狀態(tài),洞周?chē)鷰r位移和應(yīng)力呈現(xiàn)非連續(xù)變化,能夠比較好地模擬互層狀巖體層間剪切、擠壓破壞情況,與工程實(shí)際更為吻合.

4 結(jié) 論

1) 基于FLAC3D界面單元接觸理論,改進(jìn)界面接觸面模型算法,針對(duì)界面單元接觸邊界發(fā)生黏結(jié)、滑移、張開(kāi)和嵌入等接觸狀態(tài)建立了相應(yīng)的判別準(zhǔn)則和修正迭代算法,充分考慮互層狀巖體層間相互作用特點(diǎn),能有效模擬構(gòu)造應(yīng)力作用下在互層狀巖體中開(kāi)挖地下洞室時(shí)發(fā)生的非線(xiàn)性剪切滑移破壞現(xiàn)象.

2) 將本文所建模型應(yīng)用于地下洞室的開(kāi)挖計(jì)算中,與傳統(tǒng)有限元的橫觀各向同性模型對(duì)比,結(jié)果表明,當(dāng)考慮多種接觸狀態(tài)時(shí),巖體層間過(guò)渡處應(yīng)力和位移呈現(xiàn)非連續(xù)變化規(guī)律,且量值也進(jìn)一步增大.在構(gòu)造應(yīng)力和開(kāi)挖荷載作用下,互層狀巖體層間易發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng),且在上下游邊墻側(cè)中下部較為明顯.本文模型可運(yùn)用于實(shí)際工程計(jì)算，為互層狀巖體層間非連續(xù)性接觸問(wèn)題的模擬提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)途徑.