控制圍巖變形以及預(yù)注漿加固的數(shù)值模擬

1、控制圍巖變形以及預(yù)注漿加固的數(shù)值模擬1 概述在地下工程問(wèn)題分析中， 常用的數(shù)值方法有有限元、 邊界元、 離散元等。然而，這些理論方法本身以及采用的算法，都有各自 的局限性。例如，有限元和邊界元都有介質(zhì)連續(xù)和小變形的限制， 且有限元要解大型矩陣， 需要大量的內(nèi)存。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的離散元程 序，一般都假定離散的塊體為剛性體， 這僅適合于處理低應(yīng)力的 情況；同時(shí)，這種離散元求解時(shí)所花的時(shí)間也相當(dāng)可觀。近年來(lái) 發(fā)展起來(lái)的快速拉格朗日分析 (Fast Lagrangian Analysis of Continua，簡(jiǎn)稱FLAC),則是在較好地吸取了上述方法的優(yōu)點(diǎn)和 克服其缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上形成的一種新型的數(shù)值分析

2、方法。2 FLAC 軟件的主要特點(diǎn)FLAC程序是一種顯函數(shù)有限差分程序，由美國(guó) ITASCA咨詢 集團(tuán)公司開發(fā)，首先由 Cundall 在 80 年代提出并將其程序化、 實(shí)用化。FLAC基本原理類同于離散元法，但它卻能像有限元那 樣適用于多種材料模式與邊界條件的非規(guī)則區(qū)域的連續(xù)問(wèn)題求 解。在求解過(guò)程中，F(xiàn)LAC又采用了離散元的動(dòng)態(tài)松馳法，不需 求解大型聯(lián)立方程組 (剛度矩陣 ) ，便于微機(jī)上實(shí)現(xiàn)。另一方面， 同以往的差分分析相比，F(xiàn)LAC在以下幾方面作了較大改進(jìn)和發(fā) 展：它不但能處理一般的大變形問(wèn)題， 而且能模擬巖體沿某一軟 弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的滑動(dòng)變形。FLAC還能針對(duì)不同材料特性，使用 相應(yīng)的本

3、構(gòu)方程來(lái)比較真實(shí)地反映實(shí)際材料的動(dòng)態(tài)行為。此外， 該數(shù)值分析方法還可考慮錨桿、 擋土墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互 作用。3 計(jì)算模型的建立3.1 幾何模型模型總寬度為102m高度為72.4m,巖層傾角為7o,兩條 石門之間的距離為46m石門底板巖層厚度為 30m頂板巖層厚 度為38.4m;為了消除模型邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，模型邊界距 離巷道為23m，見(jiàn)圖1所示。對(duì)于上覆巖層沒(méi)有在模型中顯示的 部分，采用載荷來(lái)代替。根據(jù)石門所處的底層條件建立數(shù)值模型， 首先計(jì)算循環(huán)至穩(wěn) 定，模型上邊界施加的載荷和模擬地層應(yīng)力達(dá)到平衡， 即實(shí)現(xiàn)了 石門開挖前的原始地應(yīng)力條件。 其次開挖石門安裝支護(hù)結(jié)構(gòu)， 計(jì) 算循環(huán)至

4、穩(wěn)定。 最后對(duì)西一石門四聯(lián)至五聯(lián)擴(kuò)刷架棚支護(hù)和注漿 加固。3.2 邊界及初始條件初始條件與知道的壓力和飽和度相關(guān)。這兩個(gè)值必須與FLAC3D公式一致：當(dāng)飽和度小于 1時(shí)孔隙水壓力必須為零，反 之亦然。（在FLAC3D中，默認(rèn)初始孔隙水壓力為零飽和度為1）四種形式的邊界條件被考慮了， 分別對(duì)應(yīng)于： 給出孔隙水 壓力；給出邊界法向的比流量矢量； 透水邊界；隔水邊界。 對(duì)石門的邊界設(shè)定為隔水邊界。在FLAC3C中，默認(rèn)邊界為隔水，飽和度不能作為邊界條件 施加。（注意為了保持模型的滿飽和，流體彈性模量可能需要設(shè) 置成一個(gè)較大的負(fù)數(shù)。）滲透邊界有如下形式： qn=h（p-pe ）這里 qn 是垂直于邊界

5、的比流量矢量的外垂直線方向的部 分， h 是滲透系數(shù)，單位 m3/N-sec ， p 是在邊界表面的孔隙壓 力，而 pe 是在滲透層的孔壓。3.3 力學(xué)參數(shù)在建立的分析模型基礎(chǔ)上， 通過(guò)改變注漿加固圈的圍巖參數(shù) 來(lái)模擬注漿加固的效果，注漿加固圈的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表 3.1 所示。3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析圖 2圖 3 為注漿條件下的圍巖垂直方向應(yīng)力以及位移等的 分布及特征。4 模擬結(jié)果分析下面就圖 2、圖 3 做出相應(yīng)的分析以及討論。從巷道圍巖應(yīng)力看，采用U型棚和注漿加固巷道圍巖的應(yīng)力 相對(duì)其他方案要大， 這說(shuō)明在巷道采用加固措施前巷道圍巖屈服 深度已趨于相對(duì)穩(wěn)定， 采用注漿加固了巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)的破

6、碎 巖體，防止破碎巖體的松動(dòng)。從石門圍巖位移量看，采用擴(kuò)刷架U29型棚支護(hù)+壁后深淺 孔注漿聯(lián)合支護(hù)能有效降低塑性屈服范圍， 注漿加固了巷道 2.5m 范圍內(nèi)的破碎圍巖， 在巷道使用期間深部圍巖對(duì)加固體的作用力 相對(duì)其他方案大， 這說(shuō)明采用 U 型棚和注漿加固體承受深部圍巖 的載荷，同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力大。兩幫和頂板注漿加固作用明顯， 而底板塑性區(qū)增加。 注漿加固有效的控制了圍巖的變形， 頂?shù)装?的位移量明顯降低。 注漿后的變形量主要是在石門底板， 而頂板 和兩幫的變形量遠(yuǎn)小于沒(méi)有注漿石門， 這也說(shuō)明加固兩幫和頂板 能有效的控制石門底鼓。 以上為進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)注漿預(yù)加固參數(shù) 提供了依據(jù)。5 問(wèn)題與討論 綜上所述，在巷道采用加固措施前巷道圍巖屈服深度已趨于 相對(duì)穩(wěn)定， 采用注漿加固了巷道松動(dòng)圈范圍內(nèi)的破碎巖