直墙拱形洞室围岩稳定性的结构面效应分析

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1、直墙拱形洞室围岩稳定性的结构面效应分析徐文根魏珊陈建(安徽省建设工程勘察设计院，合肥230001)摘要：本文以工程概化的思想，设计了15。、30。、45。、60。、75。五种典型倾角结构面分别位于直墙拱形洞室拱肩附近、横穿直墙拱形洞室断面及位于直墙拱形洞室拱脚附近不同情况，并建立数值模型，开展不同倾角、不同位置结构面控制条件下围岩应力分布、围岩变形与破坏的特征分析，为探讨不同结构面控制围岩变形与破坏的机理提供理论基础，具有显著的工程应用价值。关键词：结构面倾角位置直墙拱形洞室围岩稳定性1数值模型的建立本

2、文拟定初始应力场按均匀应力场施加，水平地应表1岩体及结构面物理力学性质参数力与垂直地应力均为2MPa。直墙拱形洞室高12m，跨度lOm。数值模型围岩包括四面体单元与结构面单元，采用弹塑性本构模型及mohr—C~unmb强度准则。在洞室拱肩附近、横穿洞室断面以及洞室拱脚附近分别设计15。、3O。、45。、60。、75~五种典型倾角结构面。结构面倾角为45。时3种不同位置的数值模型如图1所示，2模拟成果分析洞壁监控点位置见图2，岩体与结构面物理力学参数按2．1具有不同位置不同倾角结构面洞室围岩最大剪应表1所

3、示选取。力酶征不同倾角结构面分布于不同位置的最大剪应力等值线图见表2。从表中各等值线图可以看出，若结构面分布于拱肩附近，当倾角较小时，其最大剪应力主要集中在左右拱脚及拱顶附近，随着结构面倾角的增大，左拱脚处应力集中越来越明显，拱顶的应力集中部位逐渐向靠近结构面的一端移动；若结构面穿过直墙拱形洞室图145。结构面分布于不同位置时的数值试验模型断面，最大剪应力主要集中在洞壁拐角处以及结构面壁岩上，随着结构面倾角的增大，拱顶上方结构面壁岩应擞顶中点(0．3)力集中现象越来越明显；若结构面分布于拱脚附近，当左肩

4、(-5，0)倾角较小时，最大剪应力主要集中在洞室断面的四个拐角处，随着结构面倾角的增大，左拱肩和右拱脚处应力(辜鬻)集中越来越明显。左墙脚不同倾角结构面分布于不同位置时各监控点最大(—5．一9)底板中点(0，一9)剪应力见图3。从图中可以看出，当结构面位于拱肩附近，左右拱脚及拱顶中点处的最大剪应力相对较大，左图2监控点位置拱脚处最大剪应力始终大于右拱脚处，左拱肩的最大剪应力随倾角增大而不断减小，右拱肩变化趋势与左拱肩一29一总第115期江西建材2／2011表2不同倾角结构面分布于不同位置减小，当倾角达到

5、75。，位移量急剧增大。当结构面位于时最大剪应力等值线(截图)拱脚附近，在倾角为15。时，左拱肩产生向洞外的水平位移，左墙中点、左拱脚及右侧产生向洞内的水平位移，当结构l-：倾角在30。～60。，左拱肩、左右墙中点及右拱脚均产生向忸f拱}一尉附近i誓；洞内的水平位移，左拱脚、右拱肩先产生向洞内的水平位移后产生向洞外的水平位移，当倾角达到75。，左拱肩产穿结过拘涧埘I．生向洞内的水平位移而左侧下部产生向洞外的水平位窀‘移，右墙的位移总的来说随结构面倾角的增大先减小后曩；～、增大；各监控点向下的垂直位移呈先

6、减小后增大的趋势，结构他十且在倾角为45。达到最小。脚附时相反；当结构面穿过洞室断面，右拱肩、左右拱脚及拱顶中点的最大剪应力相对较大；当结构面位于拱脚附近，四个拐角处的最大剪应力相对较大，左拱肩、右拱脚处的最大剪应力随倾角增大而增大，但左拱肩在倾角>60。时由于靠近结构面而有所减小。总体来看，结构面位于拱脚附近时，左右拱肩、左右墙和右拱脚的最大剪应力相对于结构面位于拱肩或穿过洞室情况下的最J上大剪应力要大，而左拱脚和拱顶底中点则是结构面位于拱肩附近相对较大。]：囊f8；围8图图4不同倾角结构面分布于不同

7、位置时各监控点水平位移与垂直位移2．3具有不同位置不同倾角结构面洞室围岩塑性破坏特征图3不同倾角结构面分布于不同位置时不同倾角结构面分布于不同位置的围岩塑性区图各监控点最大剪应力见表3。从表中各图可以看出，当结构面位于拱肩附2．2具有不同位置不同倾角结构面洞室围岩典型位近，在倾角≤60。，塑性区主要集中在拱顶以及距右拱墙移特征大约一倍洞室跨度的结构面附近，且随结构面倾角的增不同倾角结构面分布于不同位置时各监控点水平位大，拱顶破坏区域逐渐减小，底板破坏区域逐渐增大，整移与垂直位移见图4。从图中可以看出，当

8、结构面位于拱体塑性区减小；当倾角>60。，整体破坏区域急剧增大，肩附近，洞壁左侧各监控点产生向洞内的水平位移，且随表3不同倾角结构面分布于不同位置时结构面倾角的增大呈先减小后增大再减小的变化趋势，的围岩塑性区右拱肩、右墙中点向洞内的水平位移的变化趋势与左侧j相反，右拱脚处在结构面倾角为15。时产生向洞内的水平位移，倾角15。产生向洞外的水平位移，且随结构面倾角一一一一一的增大先增大后减小，但左侧各监控点的水平位移普遍结构j盘『大于右侧各监控