地质力学模型试验探究

为了提高地下厂房围岩稳定性加固设计的质量，国内许多大的地下厂房围岩稳性问题，几乎都用有限元分析、块体分析和地质力学模型试验等方法或用其中一种方法进行分析或试验，并利用围岩稳定性试验成果进行加固设计，取得了较好的成绩。现将黄河小浪底工程地下厂房地质力学模型试验成果以及如何利用这些试验成果进行围岩加固的情况介绍于后。

（一）地质力学模型试验

1.地层与裂隙概化

把该区分布的7 个岩组的岩性概化成粘土岩、粉细砂岩、中细砂岩和硅质砂岩；砂岩和硅质砂岩用软岩代替薄互层与易尖灭层；泥化夹层按分层单元对待。洞室周边裂隙间距取小值，外围的取大值；与层面近于直交的裂隙概化成同倾向裂隙。

2.模型设计

（1）工程简化。进行平面研究。横向交叉洞简化成圆洞；用变形刚度等效原则确定支护参数；忽略近洞岩体自重和蠕变效应；远离洞室岩体自重当作边界力。

（2）比例尺。几何比例尺为1∶350，应力比例尺为1∶16，力的比例尺为1∶1.196×106。模型尺寸为65.4cm×65.4cm×20cm。

（3）相似材料。模型试验所需的Es、E0、Rc、Rt 与f 值如表8-5所列，泥化夹层的f =0.25，层面的为0.8～1.1，两者的c 值分别为0.005 与0.05MPa，用2cm×3cm、高10cm的块体，块间缝宽1.2mm等条件来实现力学指标的相似性。

（4）地应力。设计垂直地应力σV=4.164MPa，侧压力系数N=0.8，设计地应力除以应力比例系数16 即为模型边界荷载。

（5）试验内容。模型6块。Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ号块为毛洞，模拟两个机组。Ⅲ号块为砂浆锚杆支护，Ⅳ号块为预应力锚索及张拉锚杆支护。Ⅲ、Ⅳ两块模拟两个机组，横洞不支护。Ⅴ号块为砂浆锚杆支护，模拟一个机组，横洞支护。

3.测试内容

133个应变花都粘在拟量测的岩块上，15个洞周绝对位移测点都设置在3个洞室的可能发生较大位移处；洞室开挖后，在主厂房、主变室和尾闸室分别安装2 个、2 个和1个收敛位移计；在洞周埋设了48 个断裂片。

4.试验步骤

将备制模型卧置于装置中，各边垫上减摩层并加一层柔性层；调试测量系统；若开挖完毕洞室尚未破坏，即进行超载试验，直至达到或接近最大承载力；吊出模型，锯除表层5cm，描述破坏形态。

5.试验结果

初始应力场中主应力值比较均匀（图8-3）高9cm，宽12cm。随着开挖，洞周切向压应力增大，法向压应力减小。开挖完毕后，在主厂房上游拱脚下部出现径向1.13MPa的拉应力；主厂房上游边墙与引水隧洞交叉口处，切向应力为16.27MPa。

（1）位移。各测点都向临空方向位移，其值随开挖而增大。厂房顶拱处位移为45.7mm；下游边墙拱脚处位移为43.9mm。

（2）破坏过程。6块模型在开挖中均未破坏。超载破坏过程是：荷载加至8.62MPa时，下游边墙与尾水管洞交叉口处，出现了初始的压剪破坏；荷载加至15.2MPa时，三洞室都发生了以压剪破坏为主，拉裂破坏为次的严重破坏。

（3）稳定安全度。测得的初始破坏荷载与地应力比值为安全度。在现实地应力作用下，开挖后围岩都是稳定的。

（4）支护预应力。当围岩达到初始破坏荷载时，支护预应力是：下游拱脚处为1056kN；顶拱偏上游部位为902kN；上游拱脚处为585kN。

6.试验成果讨论(www.xing528.com)

位于中的主厂房及母线洞与尾水管洞之间的岩体、相邻尾水管洞之间的岩柱以及母线洞顶拱与泥化夹层构成的三角体等都是重要加固的部位。这些都是分层均质程序及其模型试验不易甚至不能取得的资料。

图8-3　Ⅱ号模型开洞前、后应力场变化

—开挖后应力；—开挖前应力

（二）不稳定楔形体分析法

当地下厂房围岩内存在不利结构面组合时，某些结构体有可能发生坍塌和滑动等不稳定问题。因此，又使用了以赤平投影、实体比例尺原理为基础的J.Carvalho，E.Hoek 和B.Li编制的UNWEDGE程序对不稳定楔形体进行了分析。

1.基本假定

该程序适用于坚硬围岩楔形体的破坏分析。其基本假定是：结构面是理想的平面，连续分布于被研究的范围内，楔形体内没有新的破裂面；楔形体（刚体）只承受重力荷载，不承受现场开挖地应力的作用；开挖是沿着建筑物长轴线进行的。该程序一次只能分析3个结构面的组合，如果研究区内存在多于3组结构面时，则按3组组合一次的方式，分别进行分析。

2.结构面的力学指标

被分析的结构面主要有4组裂隙和1组泥化夹层（倾向80°～110°，倾角10°），前者的f =0.5，C=0.05MPa；后者的f =0.25，C=0.005MPa。

3.计算成果

5组结构面组合成了80个楔形体。凡毛洞的安全系数K＞2时，勿需再分析研究，认为它们已满足设计要求。主厂房顶拱、上游边墙、下游边墙和两端墙，分别可能有10个、4个、1个、3个不稳定楔形体（图8-4）7cm×7cm对上述18个不稳定楔形体采用直径为32mm、间距为1.5m×1.5m，长为8～10m的系统张拉锚杆后，其安全系数大于2。

（三）实际采用的围岩加固方法

根据地质力学模型试验成果，可以绘出洞室开挖后在自重作用下洞室围岩的强烈卸荷带分布图。本应在出现强烈卸荷带和不稳定楔形体的地方，进行具体加固，但由于工程规模巨大，一些方法是否完全可靠，使设计者有所担心，最后还是用系统锚杆进行了全面加固。

图8-4　UNWEDGE（不稳定楔形体）示意图

1—位于顶拱；2—上游边墙；3—下游边墙；4—NW端墙；5—SE边墙等部位上的不稳定楔形体；6—虚线三角面是洞室空间出露面；7—两结构面的交线

该地质力学模型尽可能考虑了各类地质因素的作用，因而它比其他模型试验的结果更接近实际，然而就本次模型试验来说，还存在着值得改进的两个地方：卧置模型不能很好模拟围岩自重和岩壁吊车梁荷载，使其不能全部解决问题，尚需用RSEAP程序计算成果予以补充；将裂隙假定成块间缝宽1.2mm的同倾向裂隙，与实际情况不符，使模型试验不能真正评价围岩内由不利结构面组成关键块体的稳定性问题。

用模型手段对围岩进行稳定性分析时，岩体（石）物理力学参数选取得正确与否是十分关键的甚至是决定性的，因此，测试围岩的物理力学指标是第一位的工作。

在含有泥化夹层多裂隙层状围岩中，进行大跨度深开挖围岩稳定性分析工作时，除了进行必要的围岩分类，查清围岩稳定性的普通条件外，发挥第2类模型、赤平极块体稳定性分析、新奥法现场分析的半经验计算等方面的互补作用，可以高质量地做出符合围岩条件的支护系统设计。

以UNWEDGE程序为代表的第3类模型，能迅速、系统、全面地反映出厂房围岩中不稳定楔形体的分布情况，并能对支护系统作出评价，然而，围岩中不稳定的结构体除楔形体外，还有其他形体，因此该类模型也不能全面解答围岩结构体的稳定性问题。