湖南省交通科学研究院 湖南长沙 430000
摘要：基于隧道围岩响应机理建立数值模型，以围岩峰后特征之一的塑性应变软化为目标，通过数值模拟揭示出在一定条件下，围岩中多层断裂现象的产生与其塑性应变阈值相对应。当围岩的塑性应变软化值低于其阈值时，围岩中应力的传递及应变响应与浅部经典围岩破裂规律迥异。然后进一步分析了应变软化值的大小对围岩中断裂层数、断裂总范围的影响，评估了多层断裂发生时围岩中切次生向应力与径向应力的相对关系，为深部岩体地下工程的开挖及支护设计提供了参考依据。
关键词：围岩，应力传递，应变软化
1 引言
围岩损伤程度及二次应力的大小，一般情况下开挖后隧道围岩依临空面由远至近依次出现弹性带及原始状态区、塑性强化带、松动带。松动带中应力低于原岩应力，岩体裂隙发育，岩体质量劣化，是围岩荷载形成及支护对象的主体。目前岩体地下结构的支护设计思路都是该模式建立起来的。如支护锚杆所需长度、锚固持力层层位及最小围岩压力估算，等等。而随着工程往地层深处发展，在地下工程实践中专家们发现进入到地下一定深度后，有些深部地下工程围岩的断裂存在分层现象。很显然，这种现象与经典的围岩响应模式不同。随着深部地下工程实践的增多，破裂现象也逐渐增多，同时也引起了很多著名专家和学者的关注并做进一步的研究。例如，文献[1]搜集了国内外关于分层断裂现象工程及研究的有关资料，总结得出围岩的分层断裂现象是深部地层与浅部地层对开挖反应的标志区别。
2 数值分析模型
2.1 应变软化描述参数
应变软化显示岩体峰后力学性能的劣化，反映岩体在原有裂隙的基础上，各种新裂隙的扩展和贯通，是FLAC[8,9]数值模拟程序中表述岩体峰后性质的重要参数.该参数通过如下表达式确定：
2.2 围岩力学参数及计算范围
围岩类型参照湘西山区武陵源某越岭深埋二级公路隧道选取。坑道围岩力学参数为：峰值粘聚力cp=0.54MPa，残余粘聚力cr=0.37MPa，峰值摩擦角p=33º，残余摩擦角r=25º，岩石剪切模量G=1.3103MPa; 泊松比=0.22，天然地应力=5.6MPa.
为了与经典响应破裂模式对照，在本课题中选用直径为4m的规则圆形坑道，按照围岩响应范围，数值模型大小为隧道直径的3.5倍；根据轴对称原理，取其四分之一，如下图3所示。由深部地层地应力理论，天然应力设为三向等应力场，弧形外边界施加天然应力，垂直和水平边界法向位移约束. 在位于垂直方向（90），水平方向（0）方向设置了监测点，便于观察其两个方向上的应力传递及应变分布情况。
3 数值模拟过程及结果简析
在岩体峰后的应力‒应变软化阶段，黏聚力c、内摩擦角与塑性剪切应变存在密切关系，即随塑性剪切应变r的增大而减小，直到残余强度阶段。在其他参数不变的情况下，围岩临界塑性剪切应变值rp（达到残余起始点的塑性剪切应变）越小，则意味着围岩峰后软化现象越强，具体体现就是粘聚力c和内摩擦角随塑性剪切应变r的增大减少的速度越快，峰后应力降越大。
模拟针对的问题就是揭示在一定的残余强度、峰值强度及天然应力场环境下，深部隧道围岩是否会出现分层断裂；如果出现分层断裂，那么rp的阈值是多大；多层断裂的发展与rp是什么关系？基于上述思路进行了数值模拟，并在计算过程对围岩中应力传递及应变分布响应进行监测。
3.1 多断裂层出现与 的关系
从计算过程中发现，当模拟的其他条件（天然应力场、岩体的峰值强度、残余强度等）都不变时，在计算过程中将临界应变值rp从0.45开始，以0.05的步长逐渐降低。在rp不小于0.15时，围岩中环向应力，径向应力r的传递与经典的浅部工程围岩中的规律一致。即从隧道临空面开始，由近往远，切向应力先增大，到达峰值后单调减小，径向应力由零逐渐增大，两者最后都趋于天然应力场。
当rp等于0.15时，90监测方向和0监测方向，在离临空面由近至远围岩中应力传递现象。在离临空面1.1m，2.3m处产生震荡点；在离临空面约1.5m远的围岩单元应力降低。开挖后围岩中的次生应力场与通常的浅部地下工程围岩中次生应力传递和分布不同。经典的浅部岩石地下工程围岩中重分布应力场以开挖中心为圆心，应力等值线分布成圆状，仅与力临空面的距离有关，即在圆心为原点的极坐标体系中，应力场是半径的单调函数。当rp达到0.15时，重分布以后的次生应力场即与极半径有关，也与极角有关。其中更加特殊的是次生应力场是极角和极半径的多谷多峰函数。
较早时期，有关学者在相似模型试验及隧道监控中发现了类似的现象，我国著名的深部工程岩石力学专家方祖烈教授于上世纪80年代末至九十年代初在我国西北的金昌镍矿深部地下工程研究中的有关实测及试验资料整理结果，也表明了这一现象的存在。
按照岩石工程相关力学理论可知，应力低谷点附近岩体处于塑性或破坏状态，表明当rp为0.15时，在围岩深处又一次出现破裂层.这与经典的破裂带仅存在于隧道临空面附近的认识显然不同。这一现象可以表明，岩石峰后软化特性影响围岩的破裂规律，致其不同于经典模式。在本课题中情况下，围岩多层破裂出现的rp阈值约为0.15.
3.2 多层破裂与 的关系
当rp为0.025，0.0045时围岩断裂层的产生图像，采用rp值衡量围岩破坏，其中颜色较深区域为破裂区。当rp大约为0.025时，临空面附近围岩出现3个断裂分层，这些分层与深部围岩发育的其他断裂层贯通，构成了环网状的破裂区。各断裂分层大体上成 倾角的平面对称，塑性剪切应变极值为7.42×10-2，最深部的破裂分层距临空面深度约为4.81m，即总的断裂圈范围离圆心约4.81m，切向应力峰值为10.2MPa，离临空面距离 大约为2.72m。
当rp到达0.0045时，围岩中产生多条断裂层，在隧道临空面附近断裂层比较密集，基本贯通连成环状，断裂层数约达5个。总的断裂圈半径R0约为7.2m。塑性剪切应变极值为5.01×10-2。切向应力峰值为13.55MPa，离隧道临空面距离h约为5.65m.
基于上述围岩多层断裂分布情况可以看出：隧道围岩峰后软化强弱情况对围岩分层断裂现象具有重要影响。随着峰后rp的降低，多层断裂趋于明显。原因可能是围岩峰后脆性的增强使其达到峰后残余强度时仅需出现不大的塑性剪切应变。当围岩中出现同一量级的塑性剪切应变值时，峰后脆性越强的岩体，可能越容易进入到残余强度阶段，致使周边应力转移越快，而峰后脆性越弱的岩体可能仍处于在软化过渡时期，应力转移较慢。围岩的峰后脆性越弱，其应力-应变关系更加接近理想弹塑性状态，这种力学上的机制可能是造成断裂形态差异的主因之一。随着峰后软化降低、脆性增强，最终断裂层面向围岩深处延伸，总的断裂圈半径逐渐增大。围岩强度的降低使其断裂层范围也增大。
由此可见，围岩径向应力，切向应力分布曲线表现为：低应力→高应力→低应力→高应力反复交替出现，即在围岩中存在应力急剧变化区域，
①混凝土试块自标养室中取出后，应用湿毛巾擦净试件表面存留的水珠，检查试件棱角是否掉落。
②混凝土试块放在试验机的下压板上，并前后、左右对中，调整仪器上压板大致水平，防止偏心受压，待上压板与试块贴近后，调至规范要求的加荷速率，严禁加油阀忽大忽小进行加压。
（3）养护条件、温/湿度方面
①检测单位保证标准养护室面积足够大，留有足够的存放空间，满足规范中对试块间距的摆放要求。②试块防止被水直接冲淋，应使试件表面保持一层水膜。③增加蓄水、蓄电设备，确保在外部断水、断电的情况下，能够满足标养室温/湿度的要求。
（4）其他
混凝土试件自拌和开始直到抗压强度试验之前，对辅助性材料的选取、试件的养护等方面工作细节均应做好，满足规范的基本要求。
4.结果分析
通过对试验过程中影响因素进行分析，对强度大小的影响结果见下表4-1。
结论
混凝土抗压强度是确定水泥混凝土强度等级的依据，也是水泥混凝土工程质量控制的主要指标。本文通过发现混凝土试块抗压强度试验过程中的细节问题，在试验过程中对影响强度大小的因素进行探讨，并针对各影响因素提出合理的措施，为检测人员在施工现场和实验室内进行混凝土强度试验提供有益的参考。
参考文献
[1]中华人民共和国行业标准.JTG/ E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S]，中华人民共和国交通运输部发布，2005.
[2]中华人民共和国国家标准.GB/T 50081-2002普通混凝土力学性能试验方法标准[S]，中华人民共和国建设部，2003.
收稿日期：2017-XX-XX
基金项目
作者简介：顾青海（1985-9），男，河北承德市人，助理工程师，主要从事道桥、隧道检测工作。(gqh_19850921@163.com)
论文作者:汤岭,朱珣
论文发表刊物:《基层建设》2017年第13期
论文发表时间:2017/9/11
标签：围岩论文; 应力论文; 应变论文; 塑性论文; 力场论文; 隧道论文; 强度论文; 《基层建设》2017年第13期论文;