断续节理围岩开挖卸载变形破坏及支护作用分析

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工程岩体是结构面和岩块的空间排列组合体。大量工程实践表明,工程岩体的变形破坏不只取决于岩石性质,更主要受结构面的影响。而所有类型的结构面中,节理在工程岩体中存在的概率相对来说要高得多。目前地下工程一般建在完整岩体或断续节理岩体中,断续节理的存在使围岩的稳定性、变形特征和应力分布更加复杂,围岩的破坏往往是由于裂纹在节理间扩展贯通导致的。因此研究断续节理围岩的变形破坏对于地下工程实践意义重大。本文基于颗粒流软件PFC2D,采用“先加载后开挖”的方法展开相关研究。研究结果对进一步了解在断续节理岩体中开挖硐室后围岩的变形破坏及支护的设计提供一定参考。首先研究了平节理模型细观参数标定的方法,为后续快速准确地标定细观参数并正确进行模拟分析奠定基础。选取合适的宏细观参数作为试验因素,用正交设计方案安排数值试验,通过多因素方差分析及回归分析,确定了各宏观参数与主要细观参数间的拟合关系,并对宏细观参数间的趋势关系进行了分析,提出了平节理模型细观参数标定流程,并验证了此标定流程的可行性。其次建立了断续节理岩体数值模型进行开挖模拟,从细观角度分析了断续节理围岩的变形破坏规律。结果表明断续节理围岩的破坏主要是由于围岩中产生的宏观破坏面与既有节理连接贯通导致的,节理与洞边界相交的地方位移会较大,断续节理倾角、断续节理连续度、侧压力系数会影响围岩的应力分布、位移分布、破坏模式以及围岩的损伤范围和损伤程度,在断续节理倾角小、断续节理连续度大、侧压力系数小时围岩的损伤范围更大且更严重。最后以锦屏二级水电站引水隧洞为工程背景,进行工程尺度的开挖支护模拟,比较分析了薄喷衬砌TSL和混凝土衬砌的支护作用,进一步探讨了新型锚喷支护(锚杆+TSL)的作用机理及支护时机的影响。结果表明TSL喷层基本不能抑制围岩的变形破坏,但可以将剥落的碎块固定在合适的位置,阻止其掉入隧洞中,TSL和锚杆构成的新型锚喷支护结构中,锚杆的作用是“支”,TSL的作用是“护”,围岩的变形破坏程度随支护时机的滞后先减小后增大。
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