矩形和直墙拱断面围岩巷道破坏的数值模拟研究

蔡光华,陆海军,陈宝银,郎 森,左 磊

(武汉工业学院土木工程与建筑学院,湖北武汉 430023)

在工程实践中,伴随着交通隧道、矿山巷道等工程的增多,围岩巷道的稳定性日益成为岩石力学工作者关心的问题。巷道断面形式对巷道围岩的破坏有着重大影响,矩形巷道由于其开挖和支护的方便,已得到广泛应用,目前其他非矩形巷道也越来越多的被使用,但由于断面形状及围岩结构关系的不同,其破坏规律也不甚相同[1]。虽然人们在生产与研究中对巷道围岩破坏规律有许多重要进展,对巷道的支护方式也积累了一定经验,但由于地质条件的复杂性,使得巷道变形和破坏形式复杂多样,复合结构围岩控制理论与技术没有得到很好解决,其原因除了岩体构成因素的复杂性和地应力确定的困难性外,另一个就是现有的力学分析工具不能对围岩应力分布、裂缝出现、扩展和破坏进行全过程分析[2]。研究矩形和直墙拱形断面巷道的破坏规律尤为重要,同时对巷道设计和支护形式的选取起到积极的指导作用。

1 岩石的破坏特性分析

研究岩石的基本特性是岩石工程设计中的一项极为重要的工作,岩石的变形特性是岩石的重要力学特性,由于岩石的高度非均匀性,岩石的变形特性是非线性的。

Coulomb假定：若岩石内部某截面上的正应力为σ和剪切力τ(如图1)满足如下条件,则该面将发生破裂[3]：

式中 C0和μ是与岩石种类有关的材料常数。C0叫做聚合强度 (内聚力);μ叫做内摩擦系数,常令μ=tanθ,θ称为内摩擦角。……