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围岩塑性区对层厚变化的影响

2023-09-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图3.9是围岩塑性区随层厚的变化情况，由图可见，层厚对围岩塑性区大小和分布形状有影响，随层厚增加塑性区范围减少，两侧边墙处的塑性区减少尤其明显。图3.7不同岩层倾角时围岩塑性区分布图3.8围岩变形随层厚的变化曲线图3.9不同层厚围岩塑性区层状岩体的破坏类型有4种:张拉断裂、剪切断裂、塑性滑移和剪张断裂。如果知道层状岩体节理面的内摩擦角，则可根据公式(3.1)计算最有可能使岩体沿层面滑动的倾角。

采用接触面单元，将层面与岩层分开考虑，在倾角90°情况下，研究层厚d=0.1 m、0.3 m、0.5 m、1 m时隧道围岩变形及塑性区变化情况。

图3.8是围岩变形随层厚的变化曲线，可见，围岩水平收敛随层厚增加呈线性减小趋势，在d=0.3 m时曲线出现拐点，减少趋势变缓。层厚d=0.1 m时，水平收敛74 mm，层厚d=1 m时，水平收敛减小到56 mm。拱顶下沉随层厚d的增大变化不明显，可近似看作直线。层厚对洞周围岩水平收敛变形影响较大，对拱顶沉降影响不大。

图3.9是围岩塑性区随层厚的变化情况，由图可见，层厚对围岩塑性区大小和分布形状有影响，随层厚增加塑性区范围减少，两侧边墙处的塑性区减少尤其明显。层厚d=0.1 m时，洞周围岩塑性区分布近似圆形，边墙与拱顶、墙底塑性区范围较大;当层厚d=1 m时，边墙塑性区显著减小，拱顶塑性区减少不明显。

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图3.7　不同岩层倾角时围岩塑性区分布

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图3.8　围岩变形随层厚的变化曲线

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图3.9　不同层厚围岩塑性区

层状岩体的破坏类型有4种:张拉断裂、剪切断裂、塑性滑移和剪张断裂。具体的破坏方式与岩层的倾角和地下洞室的边界几何切割关系有关，陡倾角层状岩体中大型地下洞室围岩在不同部位具有不同的破坏类型，主要有顶板弯折、斜顶弯折、边墙弯曲-溃曲、地板鼓起这4种破坏模式。

(1)张拉断裂

隧道开挖形成二次应力场，应力重分布使得洞周切向应力增大，径向应力减小，当拉应力过大时，拱顶和边墙部位出现张拉破坏，其结果是在垂直洞壁的方向出现张裂缝。

(2)塑性流动

软弱围岩抗剪强度低，易沿最可能破坏的剪切带发生塑性流动。层状软岩组成的塑性流动表现为岩体顺着下伏硬岩的层面发生滑移并伴以弯曲，弯曲过度时会在弯曲部位的内部出现层间拉裂。对软硬相间的互层状岩体，下伏软弱岩层的塑性流动还会导致上覆岩体的弯折拉裂，变形发展可以使上覆岩体解体或造成剪切破坏。

(3)顺层滑移

顺层滑移主要有岩体顺层面的剪切破坏和层面与其他不利产状的结构面组合形成的大块体沿层面向洞室滑动这两种形式，拱顶处围岩最为突出。根据平面应力分析，在层面不抗拉条件下，可以得到层面最不利夹角β与层面内摩擦角φj之间的关系:

式中:β——层面与最小主应力的夹角。

根据上式可知:当岩层倾角为(45°+φj/2)时岩体强度最低，为最不利于围岩稳定的情况。如果知道层状岩体节理面的内摩擦角，则可根据公式(3.1)计算最有可能使岩体沿层面滑动的倾角。

(4)弯曲-溃曲破坏

孙广忠(1998)把层状岩体归为板裂介质，其主要变形破坏方式是倾倒变形、溃屈破坏及层体弯折等。