数值模型及参数探讨

1.数值模型

使用UDEC程序建立80 m×80 m的岩体数值模型,如图5.4所示(图为节理倾角30°、节理间距2 m的数值模型)。在其上部为自由边界,左边界、右边界及下边界为法向位移约束边界,其隧道断面宽约15 m,拱高约10 m,隧洞埋深约30 m。

图5.4 节理倾角30°、节理间距2 m的数值模型

2.计算参数

参考现行《公路隧道设计规范》和相关文献,岩块和节理物理参数、水力学参数的取值分别如表5.1～表5.3所示;本构关系的选择包括:对域岩体采用摩尔-库伦弹塑性模型,对节理采用面-面接触的库伦滑动模型,其中模型从地层表面至底部按照线性变换施加竖向和水平向初始地应力。

表5.1 岩块物理参数

表5.2 节理物理参数

表5.3 水力学参数

假定模型在重力作用下达到初始平衡状态,上下水头分别位于拱顶和拱脚,在保持其他因素相同的条件下,对裂隙岩体隧道渗流应力耦合的影响因素进行对比分析。

3.常规节理与随机节理条件下隧道流固耦合对比分析

下面对常规节理和随机节理条件下隧道洞周的岩体进行渗流稳定性的对比分析。在保持其他条件不变的情况下,常规节理参数为节理倾角30°,节理间距2 m,常规节理和随机节理条件下隧道洞周岩体的流量(渗流流量)分布、孔隙水压力分布、渗流矢量分布、流速场分布以及主应力分布如图5.5～图5.16所示,分析结果如下。

图5.5 常规节理条件下隧道洞周岩体的流量分布

图5.6 随机节理条件下隧道洞周岩体的流量分布

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图5.7 常规节理条件下隧道洞周岩体的孔隙水压力分布(a)

图5.8 随机节理条件下隧道洞周岩体的孔隙水压力分布(a)

图5.9 常规节理条件下隧道洞周岩体的孔隙水压力分布(b)

图5.10 随机节理条件下隧道洞周岩体的孔隙水压力分布(b)

图5.11 常规节理条件下隧道洞周岩体的渗流矢量分布

图5.12 随机节理条件下隧道洞周岩体的渗流矢量分布

图5.13 常规节理条件下隧道洞周岩体的流速场分布

图5.14 随机节理条件下隧道洞周岩体的流速场分布

图5.15 常规节理条件下隧道洞周岩体的主应力分布

从图5.5～图5.16可以看出,常规节理条件下,隧道洞周岩体的流量分布、孔隙水压力分布、渗流矢量分布、流速场分布以及主应力分布都呈现出规律的沿节理方向变化,而随机节理条件下则表现为复杂的无规律变化,在保持其他条件相同的情况下,各个值之间存在明显的差异。

图5.16 随机节理条件下隧道洞周岩体的主应力分布