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。由于此類互層圍巖結(jié)構(gòu)不完整，圍巖質(zhì)量等級較差，力學(xué)性能較低，破壞時力學(xué)特性比較復(fù)雜，易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，給人民財產(chǎn)及道路交通安全造成重大威脅。大量的室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬研究認為，圍巖層厚比[1-2]、巖層傾角[3- 4]等幾何特征對圍巖的穩(wěn)定性影響較大。侯志強等[5]通過室內(nèi)試驗及能量分析得出，互層圍巖抗壓強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，并對不同巖層傾角下的圍巖破壞進行了分類。黃鋒等[7]通過室內(nèi)試驗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細觀參數(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)荷載下巖石破壞過程中的能量變化，從微觀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程，認為巖層傾角對互層巖體的力學(xué)特性影響較大，并對其破壞過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，對多個因素影響下互層圍巖破壞過程中細微觀的能量演化分析較少。

本文以烏魯木齊地鐵1號線隧道中強風(fēng)化泥巖、砂巖的實際物理力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，經(jīng)過顆粒流數(shù)值模擬進行參數(shù)標定，使模擬結(jié)果能更加真實反應(yīng)實際情況，然后進行二維單軸抗壓強度的試驗研究，分析不同層厚比及巖層傾角下的力學(xué)特性及能量變化過程，為地鐵建造提供理論參考。

表1 宏細觀參數(shù)與標定結(jié)果對比

1 顆粒流計算

1.1 計算原理

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、線條組成的系統(tǒng)，圓盤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個接觸的顆粒產(chǎn)生細微的重合區(qū)域，二維模型視為1條線，這條線既可以傳遞力，也可以傳遞力矩，隨著荷載的施加，當接觸間的力和力矩小于等于零時，被認為平行粘結(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)值模擬無側(cè)限單軸壓縮過程中，顆粒集合體模擬巖體，通過移動并控制墻體的速度，給巖石材料加壓，巖石材料破壞的整個過程都可以被顆粒流軟件記錄。Fish語言記錄并計算墻體上的力，得到軸向應(yīng)力，通過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)值試驗方案

試驗固定層厚為2 cm，以巖層傾角、層厚比(強風(fēng)化泥巖與強風(fēng)化砂巖之比)為影響因子進行研究，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25組試樣。

2 數(shù)值試驗

2.1 模型建立

通過對烏魯木齊地鐵1號線穿越區(qū)域內(nèi)大量的強風(fēng)化泥巖、砂巖進行室內(nèi)單軸及三軸壓縮試驗，得出其宏觀參數(shù)(如粘聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比等)。同時，在顆粒流數(shù)值模擬軟件中進行參數(shù)標定，使數(shù)值模擬結(jié)果最大可能反映真實試驗。本文采用高12 cm、寬6 cm的長方形試樣模擬互層圍巖。在軟件中共生成6 072個大小不一的顆粒，顆粒的粒徑比為2。經(jīng)過比較，選擇了平行粘結(jié)模型，共生成16 279個接觸。采用contact group對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試樣見圖1。圖1中，1、3、5層均為強風(fēng)化泥巖；2、4、6層為強風(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)標定

由于顆粒流數(shù)值模擬軟件中宏觀參數(shù)與細觀參數(shù)沒有一一對應(yīng)的關(guān)系，需要通過大量的試驗進行標定，使宏細觀參數(shù)所表現(xiàn)出的力學(xué)特性大致相似。本次主要進行了泊松比、彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角的標定。宏細觀參數(shù)與標定結(jié)果對比見表1。從表1可知，宏細觀參數(shù)標定結(jié)果較為接近，2個對應(yīng)的參數(shù)最大差異均小于15%，可以很好地模擬強風(fēng)化泥巖、砂巖的試驗效果。

3 試驗結(jié)果分析

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

圍巖層厚比為0.2～0.6時，曲線斜率較大，單軸抗壓強度減小速度快；圍巖層厚比為0.6～1.0時，曲線斜率較小，單軸抗壓強度減小速度明顯減慢。可以看出，層厚比為1時，不同圍巖傾角的單軸抗壓強度基本匯聚于一點，說明圍巖傾角的變化對圍巖單軸抗壓強度影響很小，層厚比越小，對不同巖層傾角下的單軸抗壓強度的影響越顯著。這主要是因為層厚比越小，強風(fēng)化砂巖在軸向壓力的破壞中越起主要作用，而強風(fēng)化砂巖的強度相對強風(fēng)化泥巖較強，巖層傾角的變化從一定程度上減小了強風(fēng)化砂巖的作用，造成了圍巖單軸抗壓強度的較大變化。

圖2 圍巖傾角、層厚比對試樣單軸抗壓強度的影響

4 破壞機制分析

為了深入研究互層圍巖不同傾角、層厚比組合下的破壞機制，分別選取了單軸抗壓強度中間、最大及最小的3組試樣，從裂紋發(fā)展及能量場的演化分析互層圍巖的細觀破壞機制。3組試樣參數(shù)見表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圖3。圖3中，淺色為剪切裂紋，深色為拉伸裂紋。從細微觀角度看，剪切裂紋的數(shù)量遠遠多于拉伸裂紋，這主要與平行粘結(jié)模型中的切向粘結(jié)強度與法向粘結(jié)強度比值有關(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，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微相對位移造成的。

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。從圖4可知，3組裂紋基本在同一軸向應(yīng)變開始發(fā)展，A組單軸抗壓強度最大，裂紋發(fā)展曲線較為平緩，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組單軸抗壓強度接近于C組，裂紋數(shù)量卻與A組接近，裂紋發(fā)展曲線較為陡峭。B、C組雖然單軸抗壓強度差異不大，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程是顆粒間發(fā)生了能量的積累、轉(zhuǎn)化與釋放?；訃鷰r試樣破壞過程中應(yīng)變能和摩擦能組成總的勢能，應(yīng)變能由顆粒應(yīng)變能和平行粘結(jié)應(yīng)變能組成。當處于荷載下的應(yīng)變能逐漸積累達到巖體承受能量的極限時，巖體的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化隨即釋放能量，在宏觀上產(chǎn)生試樣的破壞，同時釋放的應(yīng)變能也會迅速的轉(zhuǎn)化為摩擦能。

不同組的能量發(fā)展特征見圖5。從圖5可知，單軸抗壓強度越大，其應(yīng)變能及峰值越大，摩擦能受單軸抗壓強度的影響不確定。A組圍巖的應(yīng)變能積累到峰值時迅速下降，而其摩擦能卻在此刻急速上升，說明兩者之間發(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能量的轉(zhuǎn)化過程；而C組由于其圍巖傾角及層厚比的特殊組合，應(yīng)變能積累過程相對微小，很快觸發(fā)摩擦能迅速增加，這也進一步說明了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

本文基于顆粒流數(shù)值模擬，對不同幾何特征的互層巖體進行了單軸壓縮模擬，并分析了不同幾何特征對互層巖體單軸抗壓強度、裂紋、能量的影響。研究可知，隨著圍巖層厚比的增加，不同的巖層傾角對單軸抗壓強度的影響不同；隨著巖層傾角的增加，不同的層厚比對單軸抗壓強度的影響也不同，但總體上呈“U”形變化趨勢。不同層厚比、巖層傾角組成的3組試樣的裂紋個數(shù)、發(fā)展趨勢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。

需要說明的是，關(guān)于層厚比、巖層傾角這2個因素對裂紋及能量影響哪個更為敏感，需要進一步探究。