深部复合岩体隧道开挖离散元模拟

蒋明镜; 王华宁; 李光帅; 廖优斌; 陈有亮; 卫超群

doi:10.11779/CJGE2020S2004

深部复合岩体隧道开挖离散元模拟 English Version

蒋明镜^{1, 2, 3,},
王华宁⁴,
李光帅¹,
廖优斌⁵,
陈有亮⁶,
卫超群¹

1.
天津大学建筑工程学院土木系,天津300350
2.
天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300350
3.
同济大学土木工程学院地下建筑与工程系,上海200092
4.
同济大学航空航天与力学学院,上海200092
5.
同济大学建筑设计研究院桥梁工程设计院,上海200092
6.
上海理工大学　环境与建筑学院,上海200093

基金项目:

国家自然科学基金重大项目 51890911

国家自然科学基金重点项目 51639008

详细信息

作者简介:
蒋明镜（1965— ）,男,教授,博士生导师,国家杰出青年基金获得者,主要从事天然结构性黏土、砂土、非饱和土、太空土和深海能源土宏观微观试验、本构模型和数值分析研究工作。E-mail：mingjing.jiang@tju.edu.cn

中图分类号: TU43
计量
- 文章访问数: 238
- HTML全文浏览量: 28
- PDF下载量: 234
出版历程
- 收稿日期: 2020-08-06
- 网络出版日期: 2022-12-07
- 刊出日期: 2020-10-31

DEM investigation on tunnel excavation of deeply-situated composite rock mass with different strength ratios

1.
Department of Civil Engineering, School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China
2.
State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300350, China
3.
Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
4.
School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China
5.
Tongji Architectural Design(Group) Co., Ltd. Bridge Engineering Institute, Shanghai 200092, China
6.
School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

摘要

摘要: 深部复合岩体隧道开挖过程中,抗压强度比是影响围岩稳定的重要因素。引入考虑胶结尺寸的微观接触模型,采用二维离散元方法对深部上软下硬复合岩体隧道开挖进行了数值模拟,分析了强度比对围岩胶结破坏、最大主应力及扰动区的影响。结果表明,随着抗压强度比的增大,隧道开挖引起的围岩胶结破坏率与扰动区逐渐增大,胶结破坏形式以拉剪破坏为主；最大主应力沿围岩环向呈下垂的滴水状分布,沿径向在软岩中先减小后增大,在硬岩中逐渐增大；随着抗压强度比的增大,最大主应力沿径向在硬岩区变化幅度减小,在软岩区变化幅度增大。
- 离散元 /
- 深部复合岩体 /
- 隧道开挖 /
- 抗压强度比
Abstract: The strength ratio is an important factor affecting the stability of the surrounding rock during tunnel excavation of deeply-situated composite rock mass. A size-dependent bond contact model is implemented to the software of the two-dimensional distinct element method (DEM) to simulate the tunnel excavation of deeply-situated up-soft/low-hard composite rock mass. The influences of strength ratio on bond breakage, the maximum principal stress and disturbance zone of the surrounding rock are investigated. The results show that the bond breakage ratio and the disturbed area ratio caused by tunnel excavation gradually increase with the increase of strength ratio of composite rock mass, and the bond breakage is mainly caused by bond tensile failure. The maximum principal stress is distributed in teardrop shape in the circumferential direction of the surrounding rock, while in the radial direction it decreases firstly and then increases in the soft rock and increases in the hard rock. Moreover, in the radial direction, with the increase of the strength ratio, the variation range of the maximum principal stress decreases in the hard rock but increases in the soft rock.
- discrete element method /
- deeply-situated composite rock mass /
- tunnel excavation /
- strength ratio

HTML全文

0. 引言

柱状节理是发育于火山岩中的一种原生张性破裂构造^[1],它往往将岩石切割成规则六棱柱或其他的不规则棱柱体。柱状节理岩体在我国的赋存范围十分广泛,特别是在西南云贵川地区。早先国内外关于柱状节理岩体的研究热点主要侧重于柱状节理地质成因分析,形成了冷却收缩学说^[2]、引张-旋扭成因^[3]、双扩散-对流作用^[4]以及岩浆热耗散-对流与冷却-收缩分阶段起作用假说^[5]等多种成因理论。近年来,随着西南地区水利水电开发的推进,工程中揭露了大量柱状节理岩体,其力学各向异性特性是该类工程中重点关注和亟待解决的关键科学问题。为了研究柱状节理岩体力学各向异性特性,研究人员依托白鹤滩水电站工程,首先采用现场试验和数值模拟方法开展研究,如：卢轶然^[6]和张宜虎等^[7]选取白鹤滩水电站坝基左岸试验支洞扩挖段布置6个试验点,采用YXSW-12现场真三轴试验系统对柱状节理岩体试样进行真三轴试验,得到了柱状节理岩体在三向复杂应力条件下的变形和强度特征；朱道建等^[8]和徐卫亚等^[9]分别采用有限差分和离散元数值方法建立了白鹤滩水电站坝基典型柱状节理岩体随机模拟数值模型,分析了坝基柱状节理岩体变形和强度各向异性规律及其对坝基整体应力和变形的影响。但是,由于受到人力物力和时间的限制,现场试验选取的试验点非常有限,所得试验结果具有一定的离散性,而数值试验结果的准确度取决于岩块和柱状节理本构模型能否反映柱状节理岩体实际的力学响应。鉴于此,一部分研究人员在前期勘察调研柱状节理岩体结构特征的基础上,采用水泥或石膏等类岩石材料制备小尺寸模拟柱状节理岩体试件,通过室内单轴或三轴压缩试验研究柱状节理岩体力学各向异性规律^[10-15]。尽管目前在柱状节理岩体物理模型试验方面已取得了一定的研究成果,但是所得试验结果与真实柱状节理岩体力学响应还有一定的差异,究其原因在于现有模型试验研究中所采用的制样方法在模拟柱状节理岩体结构特征方面还存在一定的差距。如：刘海宁等^[10]、肖维民等^[11]、Ji等^[12]、林志南等^[13]柯志强等^[14]在制作模拟柱状节理岩体试件时均先制备单个柱体,然后采用水泥浆黏结单个柱体形成柱状节理岩体模型,再经切割打磨得到所需圆柱体或棱柱体模拟柱状节理岩体试件,由于水泥浆黏结强度较高且具有一定厚度,因而上述模拟柱状节理岩体试件中的柱状节理与真实柱状节理有一定的差异,柱体间一定厚度的水泥浆对试件强度和变形也有影响；为了克服黏结柱体方法的不足,Lin等^[15]和杨涛等^[16]利用3D打印技术采用光敏树脂打印柱状节理网络模型,然后将其预置于圆柱体或棱柱体模具中,再浇筑类岩石模型材料制备模拟柱状节理岩体试件,该方法避免了柱体黏结材料对试件的影响,但是由于光敏树脂本身也具有一定的强度和较好的延性,试验过程中光敏树脂柱状节理网络对试件强度和变形有较大影响。因此采用模型试验方法研究柱状节理岩体力学各向异性特性时,柱状节理的物理模拟方法是关键。

为此,本文在前期研究成果基础上,结合3D打印技术,采用脆性绿蜡材料作为3D打印材料,研究模拟不规则柱状节理岩体试件一次成型制备方法,通过对其进行室内单轴压缩试验获得不规则柱状节理岩体力学各向异性规律及典型破坏特征,并将其与现有柱状节理岩体模型试验研究成果进行比较,验证此方法的可行性。

1. 不规则柱状节理岩体试件一次成型制备方法

1.1 不规则柱状节理网络3D打印

由于柱状节理岩体现场调查能够获得柱列横截面多边形组合图案,在此采用Voronoi图随机模拟柱列横截面多边形组合图案,图中多边形的每一条边即代表一条柱状节理,该方法的可行性已在文献[17]中得到验证。在获得如图1（a）所示Voronoi图随机模拟柱列横截面多边形组合图案后,导入CAD软件沿柱列横截面外法线方向拉伸即得到不规则柱状节理三维网络模型（图1（b））,然后用直径为5 cm、与柱列水平面成β夹角的圆柱面模拟钻芯过程经修整获得直径5 cm、高度10 cm的标准圆柱型柱状节理网络模型（图1（c））,即为不规则柱状节理网络3D打印数字模型。为了分析不规则柱状节理岩体的力学各向异性,在此β角取值分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°。

图 1 不规则柱状节理网络模型生成过程

Figure 1. Generation of irregular columnar joint network

下载: 全尺寸图片幻灯片

选用绿蜡为打印材料（基本物理参数见表1）,将不规则柱状节理网络3D打印数字模型导入3D打印机,设置打印壁厚为0.8 mm,得到具有不同β角的圆柱型不规则柱状节理网络实体模型如图2所示。

表 1 绿蜡基本物理参数

Table 1. P hysical parameters of green wax

成分	颜色	密度/(g·cm^-3)	熔点/℃	软化点/℃	打印精度/mm
石蜡	深绿	0.81	70	52~62	0.025~0.05

下载: 导出CSV

| 显示表格

图 2 圆柱型不规则柱状节理网络3D打印实体模型

Figure 2. Solid models for cylindrical irregular columnar joint network

下载: 全尺寸图片幻灯片

类岩石模型材料采用水灰比为0.4的净水泥浆,其基本力学参数汇总如表2所示。

表 2 类岩石模型材料基本力学参数

Table 2. Basic mechanical parameters of rock-like materials

参数	单轴抗压强度σ_c/MPa	弹性模量E/GPa	黏聚力/MPa	内摩擦角/(°)
数值	25.84	3.516	4.188	35.8°

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.2 不规则柱状节理岩体试件制备过程

模拟不规则柱状节理岩体试件制备过程如下：①在塑料盆中配置水灰比为0.4白水泥浆,并振捣消除水泥浆中的气泡；②将不规则柱状节理网络3D打印实体模型慢慢浸没在水泥浆中,并轻微摇动模型确保白水泥浆沿柱体方向注入并均匀充满模型（图3（a））；③将注满白水泥浆的模型套入内径为5 cm、高为10 cm的圆柱形有机玻璃套筒中,然后将套筒连同试样一起取出,用刮刀抹平套筒两端（图3（b）,（c））；④将试样在常温下养护2小时后拆除圆柱形套筒,得到模拟不规则柱状节理岩体试件（图3（d））,再常温养护28天备用。

图 3 圆柱型模拟不规则柱状节理岩体试件

Figure 3. Cylindrical artificial columnar jointed rock mass specimens

下载: 全尺寸图片幻灯片

按照上述方法,一共制备7组试件用于后续试验。

2. 不规则柱状节理岩体单轴压缩试验

2.1 单轴压缩试验方案

模拟不规则柱状节理岩体试件单轴压缩试验在YZW50岩石剪切试验系统上进行,具体加载方案如下：①预控制采用轴向力控制,目标值1 kN,加载速率为0.05 kN/s,保持15 s,目的是避免加载初期由于试件与加载压头接触不充分而引起伺服程序不稳定；②设置轴向力目标值为150 kN,加载速率为0.1 kN/s,直至试件破坏。

2.2 单轴压缩应力-应变曲线

模拟不规则柱状节理岩体试件单轴压缩应力-应变曲线如图4所示,根据试件单轴压缩应力-应变曲线计算相应的单轴抗压强度 $σ_{r}$ $σ_{r}$ 和变形模量E_r,得到7组模拟不规则柱状节理岩体试件的单轴抗压强度 $σ_{r}$ $σ_{r}$ 和变形模量E_r,计算结果汇总于表3。

图 4 模拟不规则柱状节理岩体试件单轴压缩应力-应变曲线

Figure 4. Stress-strain curves of artificial irregular columnar jointed rock mass specimens under uniaxial compression

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 3 不规则柱状节理岩体试件单轴抗压强度和变形模量汇总

Table 3. Summary of uniaxial compression strength and deformation modulus of irregular columnar jointed rock mass specimens

β/(°)	0	15	30	45	60	75	90
σ_r/MPa	11.812	11.69	9.625	7.374	4.436	7.087	24.087
E_r/GPa	1.031	1.108	0.823	0.393	0.673	0.680	2.275

下载: 导出CSV

| 显示表格

2.3 试件典型破坏模式

通过在模拟不规则柱状节理岩体试件单轴压缩试验过程中进行数字拍照,得到试件破坏发展过程及最终破坏形态如图5所示,对其进行归纳总结得到模拟不规则柱状节理岩体试件3种典型破坏模式如下。

图 5 模拟不规则柱状节理岩体试件典型破坏形态

Figure 5. Failure modes of artificial irregular columnar jointed rock mass specimens under uniaxial compression

下载: 全尺寸图片幻灯片

（1）劈裂-滑移复合破坏

该破坏模式主要发生在倾角β=0°～15°时（见图5（a）,（b））。由于试件中柱体近似水平,竖向应力主要作用在柱体侧面及棱线处,随着竖向应力的增加,首先发生垂直柱体轴向和沿柱状节理面的劈裂破坏,当竖向应力进一步增加,柱体沿破坏的柱状节理面产生滑移破坏,最终形成部分通过柱体,部分通过柱状节理面的贯通破坏面。

（2）沿柱状节理面的剪切滑移破坏

该破坏模式主要发生在倾角β=30°～60°时（见图5（c）～（e））。随着竖向应力的增加,试件内部某一柱状节理面上的剪切应力超过其抗剪强度而发生剪切破坏,形成剪切破坏面并随着竖向应力的增加沿着相邻的柱状节理面继续扩展,最终形成沿若干柱状节理面的贯通破坏面,破坏时柱体沿倾角方向有明显的错动位移,试件表现出明显的侧向扩容现象。

（3）沿柱体轴向的压屈-劈裂破坏

该破坏模式主要发生在倾角β=75°～90°时（见图5（f）～（g））。由于试件中柱体近似竖直,试验施加的竖向荷载主要沿柱体轴向作用,且试件中单个柱体长细比较大,外侧柱体首先被压屈而散开,导致柱体破坏由外向试件内部发展,最终导致试件由于大部分柱体沿轴向被劈裂压屈而丧失承载力。

3. 结果分析与讨论

3.1 力学各向异性分析

为了分析不规则柱状节理岩体试件的力学各向异性规律,首先将不规则柱状节理岩体试件单轴抗压强度 $σ_{r}$ $σ_{r}$ 和变形模量E_r分别用类岩石模型材料单轴抗压强度 $σ_{c}$ $σ_{c}$ 和弹性模量E归一化处理,然后得到其随倾角β的变化规律,如图6所示。同时,为了和现有模型试验结果进行比较,在图6中也列出了采用黏结柱体方法^[11-12]和预置光敏树脂柱状节理网络直接浇筑方法^[15]所得柱状节理岩体力学各向异性试验结果。由图6可知：

图 6 模拟柱状节理岩体力学各向异性规律比较

Figure 6. Comparison of mechanical anisotropy of artificial columnar jointed rock mass specimens prepared by different methods

下载: 全尺寸图片幻灯片

（1）当β=0°～75°时,文献[11]所得柱状节理岩体试件归一化单轴抗压强度和变形模量均远大于其他三种方法试验结果,这主要是由于文献[11]采用水泥浆作为柱体黏结剂,水泥浆黏结强度大且柱体间水泥浆厚度较大,从而在提高模拟柱状节理岩体试件强度的同时也约束了柱体沿模拟柱状节理面的滑移变形。

（2）本文所得归一化单轴抗压强度和变形模量随倾角β变化规律近似“U”型分布,呈现较显著各向异性特征,但是β=0°时的试验结果要小于β=90°时的试验结果,这与文献[12]和[15]报道的试验结果是一致的。同时,本文所得归一化单轴抗压强度和变形模量数值在绝大多数倾角下均稍大于文献[12]和[15]结果,仅β=0°时的归一化单轴抗压强度和β=90°时的归一化变形模量出现了突变。

（3）当β=0°时,本文归一化单轴抗压强度小于文献[12]结果,这说明脆性绿蜡柱状节理网络对柱状节理岩体试件强度的影响要小于文献[12]所用的水泥浆；而当β=90°时,文献[15]所得试件归一化变形模量数值远大于本文结果,说明光敏树脂柱状节理网络对试件变形有很大的约束作用。

3.2 典型破坏模式分析

2.3节归纳总结了一次成型制备的模拟不规则柱状节理岩体试件的3种典型破坏模式,现有模型试验结果^{[11-12, 14-15]}也总结了单轴压缩条件下柱状节理岩体的典型破坏模式（如表4所示）。通过比较可知：

表 4 模拟柱状节理岩体单轴压缩典型破坏模式汇总

Table 4. Summary of typical failure modes of artificial columnar jointed rock mass under uniaxial compression

序号	文献出处	柱状节理岩体试件类型	试件典型破坏模式
1	肖维民等^[11]	标准圆柱体试件,模型材料为石膏水泥混合材料,黏结剂为水泥浆	①沿柱状节理面的轴向劈裂破坏,β=15°和30°发生；②形成部分通过节理面、部分通过柱体的复合剪切破坏面,β=0°和45°发生；③沿柱状节理面的剪切滑移破坏,β=60°和75°发生；④沿柱体轴向劈裂破坏,β=90°发生。
2	Ji等^[12]	标准圆柱体试件,模型材料为水泥砂浆,黏结剂为白水泥浆	①沿垂直柱轴方向的劈裂破坏,β=0°和15°发生；②沿柱状节理面的剪切滑移破坏,β=30°~60°发生；③沿柱轴方向的劈裂破坏,β=75°和90°发生。
3	柯志强等^[14]	5 cm×5 cm× 10 cm长方体试件,模型材料为水泥砂浆,黏结剂为白水泥浆	①沿垂直柱轴方向的劈裂破坏,β=0°~30°发生；②沿纵向柱状节理面的剪切滑移破坏,β=45°发生；③劈裂-滑移复合破坏,β=60°发生；④平行柱体轴向的劈裂破坏,β=75°~90°发生。
4	Lin等^[15]	标准圆柱体试件,模型材料为水泥砂浆,预置光敏树脂不规则柱状节理网络	①劈裂破坏,β=0°~30°发生；②沿柱状节理面的剪切滑移破坏,β=75°~90°发生；③劈裂-滑移复合破坏,β=45°~60°发生。

下载: 导出CSV

| 显示表格

（1）在水平倾角β较小时,由于脆性绿蜡材料本身抗压强度较小,在垂直柱体轴向的竖向应力作用下,绿蜡柱状节理网络对柱体的约束作用较弱,小于光敏树脂和水泥浆黏结层对柱体的约束作用,因此在β=0°～15°时试件表现为柱体劈裂-柱状节理面剪切滑移复合破坏模式。

（2）在中等水平倾角和近似竖直情况下,由于本文采用的类岩石模型材料强度远大于绿蜡材料,当竖向应力作用时,绿蜡柱状节理网络先于柱体发生压裂破坏,导致柱体与绿蜡之间的接触面力学特性与真实柱状节理面力学响应更接近,主要表现为柱体沿柱状节理面的剪切滑移更明显,试件在试验后期的侧向变形更明显,而Lin等^[15]采用光敏树脂作为柱状节理网络打印材料,光敏树脂本身抗压强度和延性都较好,试验过程中模型材料先于柱状节理网络破坏,因此光敏树脂柱状节理网络对试件后期变形有较强的约束作用,从而导致水平倾角较大（β=60°～90°）的试件变形模量比本文大。

综上所述,在此采用脆性绿蜡作为柱状节理网络3D打印材料,一次成型制备模拟不规则柱状节理岩体试件用于不规则柱状节理岩体力学各向异性特性研究,一方面提高了不规则柱状节理岩体试件制备效率,同时相比已有研究成果,在模拟柱状节理力学响应方面有了一定的提升,因而该方法是可行的,在后续开展复杂应力状态下不规则柱状节理岩体力学各向异性特性研究中具有巨大的应用前景。

4. 结论

基于Voronoi图随机模拟建立圆柱型不规则柱状节理网络3D数字模型,采用脆性绿蜡作为3D打印材料制备不规则柱状节理网络实体模型,在此基础上研究模拟不规则柱状节理岩体试件一次成型制备方法,并通过试件单轴压缩试验研究不规则柱状节理岩体力学各向异性特性,主要结论如下：

（1）预置绿蜡柱状节理网络的圆柱型不规则柱状节理岩体试件单轴抗压强度和变形模量随倾角β变化呈“U”型,表现出显著各向异性特征,与采用水泥浆黏结和预置光敏树脂柱状节理网络等制样方法相比,绿蜡柱状节理网络本身强度更低,对柱体变形的约束作用更弱,与实际柱状节理的力学响应更接近。

（2）单轴压缩条件下预置绿蜡柱状节理网络的圆柱型不规则柱状节理岩体试件典型破坏模式分为三种：在近似水平倾角情况下,试件表现为劈裂-滑移复合破坏；在中等水平倾角情况下,试件表现为沿柱状节理面的剪切滑移破坏；在近似竖直情况下,试件表现为沿柱体轴向的压屈-劈裂破坏。

（3）与现有水泥浆黏结制样方法相比,以脆性绿蜡为打印材料,结合3D打印技术的不规则柱状节理岩体试件的一次成型制备方法,在提高制样效率的同时能够较好模拟真实柱状节理的力学响应。

图 1 立方体抗压强度与层理倾角的关系

Figure 1. Relationship between cubic compressive strength and bedding angle

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 试样示意图

Figure 2. Sketch of rock specimen

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 试样级配曲线

Figure 3. Grain-size distribution curve of DEM specimen

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 DEM试样中测量圆分布情况

Figure 4. Positions of measuring circles in DEM specimen

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 胶结破坏与时步关系曲线

Figure 5. Relationship between bond breakage rate and time step

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 花岗岩-灰屑岩最大主应力分布特征

Figure 6. Distribution characteristics of maximum principal stress in granite-limestone

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 不同抗压强度比与胶结破坏率及扰动区面积比关系曲线

Figure 7. Bond breakage rates and disturbed area ratios under different strength ratios

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 岩样微观参数

Table 1 Microscopic parameters of rock specimens

岩石类型	颗粒部分					胶结部分
岩石类型	ρ颗粒密度/(kg·m^-3)	k_n颗粒法向刚度/(N·m^-1)	k_s颗粒切向刚度/(N·m^-1)	μ颗粒摩擦系数	β颗粒抗转动系数	h_max最大胶结厚度/m	σ_t胶结拉伸强度/Pa	σ_c胶结压缩强度/Pa	E_b胶结弹性模量/N	sp胶结延伸率
花岗岩	2700	6.50×10¹⁰	4.33×10¹⁰	1.0	1.5	1.30×10⁴	1.00×10⁹	3.00×10¹⁰	3.75×10⁹	0.15
大理岩	2700	3.10×10¹⁰	2.05×10¹⁰	1.0	1.5	1.30×10⁴	1.60×10⁹	1.07×10¹⁰	1.07×10⁹	0.15
绿片岩	2700	9.00×10⁹	6.00×10⁹	0.3	0.5	1.30×10⁴	1.50×10⁸	2.50×10⁹	2.50×10⁸	0.15
灰屑岩	2700	9.00×10⁸	3.6×10⁸	0.7	0.6	1.30×10⁴	2.18×10⁷	2.30×10⁸	1.10×10⁷	0.15

下载: 导出CSV

表 2 岩石宏观参数

Table 2 Macroscopic parameters of rocks

参数	弹性模量E/GPa	泊松比μ	巴西劈裂强度σ_t/MPa	单轴抗压强度σ_c/MPa	黏聚力c/MPa	内摩擦角φ/(°)
花岗岩	69.0	0.260	16.7	200.00	50.00	48.00
大理岩	30.0	0.210	20.0	101.24	24.60	35.23
绿片岩	3.54	0.360	1.00	19.47	4.47	25.26
灰屑岩	0.29	0.300	0.34	2.15	0.60	29.00

下载: 导出CSV

表 3 DEM试样宏观力学参数

Table 3 Macroscopic mechanical parameters of DEM specimens

参数	弹性模量E/GPa	泊松比μ	巴西劈裂强度σ_t/MPa	单轴抗压强度σ_c/MPa	黏聚力c/MPa	内摩擦角φ/(°)
花岗岩	68.070	0.254	18.360	198.200	43.000	40.41
大理岩	29.065	0.243	15.100	105.940	28.200	34.23
绿片岩	3.730	0.359	0.978	22.671	7.900	23.22
灰屑岩	0.295	0.440	0.325	2.040	0.646	30.10

下载: 导出CSV

表 4 不同抗压强度比深部复合岩体

Table 4 Composite rock mass with different strength ratios

复合岩层组合	上部	下部	抗压强度比（上∶下）	具体比值
组合一	绿片岩	花岗岩	22.671∶198.2	0.114
组合二	灰屑岩	花岗岩	2.04∶198.2	0.010
组合三	绿片岩	大理岩	22.671∶105.94	0.214
组合四	灰屑岩	大理岩	2.04∶105.94	0.019

下载: 导出CSV

表 5 最终胶结破坏率及对应时步

Table 5 Final bond breakage rates and corresponding time steps

组合	花岗岩-灰屑岩	大理岩-灰屑岩	花岗岩-绿片岩	大理岩-绿片岩
时步	123301	213300	4100	9100
胶结破坏率/%	0.0899	0.1070	0.00143	0.00315

下载: 导出CSV

参考文献(20)

[1]	高文艺. 深部复合地层TBM隧道变形时空演化规律研究[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2015. GAO Wen-yi. Study on Space-time Evolution Laws of Surrounding Rockmass Deformation in Deep Mixed Strata Tunnel Excavated by TBM[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2015. (in Chinese)
[2]	黄锋, 周洋, 李天勇, 等. 软硬互层岩体力学特性及破坏形态的室内试验研究[J/OL]. 煤炭学报: 1-10[2020-03-17]. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2019.1388.
[3]	CUNDALL P A, STRACK O D L. A discrete numerical model for granular assemblies[J]. Géotechnique, 1979, 29(1): 47-65. doi: 10.1680/geot.1979.29.1.47
[4]	蒋明镜. 现代土力学研究的新视野—宏微观土力学[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(2): 195-254. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201902002.htm JIANG Ming-jing. New paradigm for modern soil mechanics: Geomechanics from micro to macro[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(2): 195-254. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201902002.htm
[5]	王志伟, 乔春生, 宋超业. 上软下硬岩质地层浅埋大跨隧道松动压力计算[J]. 岩土力学, 2014, 35(8): 2342-2352. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201408030.htm WANG Zhi-wei, QIAO Chun-sheng, SONG Chao-ye. Calculation method of relaxation pressure of shallow large span tunnel in up-soft/low-hard rock stratum[J]. Rock and Soil Mechanics, 2014, 35(8): 2342-2352. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201408030.htm
[6]	JIANG M J, ZHANG N, CUI L, et al. A size-dependent bond failure criterion for cemented granules based on experimental studies[J]. Computers and Geotechnics, 2015, 69: 182-198. doi: 10.1016/j.compgeo.2015.05.007
[7]	JIANG M J, LIU W, XI B L, et al. Preliminary DEM analysis on micro-mechanical behavior of the composite cemented granules under complex stress conditions[C]//Proceedings of the 7th International Conference on Discrete Element Methods, 2016, Singapore.
[8]	张春深, 陈祥荣, 侯靖, 等. 锦屏二级水电站深埋大理岩力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(10): 1999-2009. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201010009.htm ZHANG Chun-shen, CHEN Xiang-rong, HOU Jing, et al. Study of mechanical behavior of deep-buried marble at jinping hydropower station[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(10): 1999-2009. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201010009.htm
[9]	MARTIN D C. The strength of massive Lac du Bonnet Granite Around Underground Opeanings[D]. Winnipeg: University of Manitoba, 1993.
[10]	黄书岭. 高应力下脆性岩石的力学模型与工程应用研究[D]. 武汉: 中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所), 2008. HUANG Shu-ling. Study on Mechanical Model of Brittle Rock under High Stress Condition and Its Engineering Applications[D]. Wuhan: Graduateschool of the Chinese Academy of Sciences (Wuhan Institute of Geotechnical Mechanics), 2008. (in Chinese)
[11]	吕品. 锦屏水电站绿片岩段扩挖及落底开挖稳定研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2011. LÜ Pin. The Research of Enlarged Excavation and Surrounding Rock Stability in The Green Schist Area of Jinping Hydropower Station[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2011. (in Chinese)
[12]	CIANTIA M O, CASTELLANZA R, PRISCO C D. Experimental study on the water-induced weakening of calcarenites[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, 48(2): 441-461. doi: 10.1007/s00603-014-0603-z
[13]	PARMA M, NOVA R. Effects of bond crushing on the settlements of shallow foundations on soft rocks[J]. Géotechnique, 2011, 61(3): 247-261. doi: 10.1680/geot.7.00183
[14]	杨开新, 蒋明镜, 陈有亮, 等. 不同岩性下TBM滚刀破岩过程离散元分析[J]. 水资源与水工程学报, 2019, 30(2): 198-204, 211. YANG Kai-xin, JIANG Ming-jing, CHEN You-liang, et al. Discrete element method analysis on rock breaking process induced by TBM cutters under different lithologies[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2019, 30(2): 198-204, 211. (in Chinese)
[15]	吴渤. 层状岩体隧道围岩扰动区演化与锚固机理研究[D]. 武汉: 中国地质大学, 2016. WU Bo. Study on disturbance zone evolution and anchoring mechanism of surrounding rock in layered rock tunnel[D]. Wuhan: China University of Geosciences, 2016. (in Chinese)
[16]	JIANG M J, KONRAD J M, LEROUEIL S. An efficient technique for generating homogeneous specimens for DEM studies[J]. Computers and Geotechnics, 2003, 30(7): 579-597. doi: 10.1016/S0266-352X(03)00064-8
[17]	陈贺. 岩石宏微观力学特性及高陡岩质边坡的离散元数值模拟[D]. 上海: 同济大学, 2013. CHEN He. Macroscopic and Microscopic Mechanical Properties of Rocks and Discrete Element Numerical Simulation of High-Steep Rock Slopes[D]. Shanghai: Tongji University, 2013. (in Chinese)
[18]	蔡美峰. 岩石力学与工程[M]. 北京: 科学出版社, 2002. CAI Mei-feng, Rock Mechanics and Engineering[M]. Beijing: Science Press, 2002. (in Chinese)
[19]	赵瑜, 卢义玉, 陈浩. 深埋隧道三心拱洞室平面应变模型试验研究[J]. 土木工程学报, 2010, 43(3): 68-74. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC201003015.htm ZHAO Yu, LU Yi-yu, CHEN Hao. A plane strain modeling study of a three-center arch for deep tunnels[J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(3): 68-74. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TMGC201003015.htm
[20]	JIANG M J, YIN Z Y. Analysis of stress redistribution in soil and earth pressure on tunnel lining using the discrete element method[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 32(6): 251-259.

施引文献(33)

期刊类型引用(17)

1.	王铁行，赵翊豪，金鑫. 喷射秸秆加筋黄土的强度特性研究. 地下空间与工程学报. 2024(03): 800-811 . 百度学术
2.	陈婧逸，陈晓清，宋东日，吕明，蒋豪. 灌木根系形态对土体强度影响的大型直剪试验研究. 长江科学院院报. 2024(08): 120-127+163 . 百度学术
3.	程虎，李蒙，杨劭，张乃畅，李厚峰. 水陆交错带护坡植物固土抗蚀能力比较分析. 中国水土保持科学(中英文). 2024(03): 56-63 . 百度学术
4.	谭瑞琪，谢亚军，李欣然，姜宝莹，张桂荣. 植被防护岸坡加筋机理研究. 中国水运. 2023(06): 71-74 . 百度学术
5.	陈飞，谢蕴忠，王俊峰，张仕彬. 基于数值模拟方法的根系护坡研究进展. 科学技术与工程. 2023(16): 6728-6738 . 百度学术
6.	梅红，马柯，刘瑾，王禄艺，冯玉晗，齐梦瑶，胡梦园. 生态型稳定剂协同植物根系固土特性及机理研究. 水利水电科技进展. 2023(04): 52-58 . 百度学术
7.	蒋冬卫. 不同地区沿海港口物流业发展现状评价分析. 中国水运. 2023(11): 74-76 . 百度学术
8.	杜技能，王中珏，段继琪，王忠良，段青松. 生态护坡理论及技术研究现状综述. 水利与建筑工程学报. 2023(06): 211-220 . 百度学术
9.	徐华，袁海莉，王歆宇，王栋，陈建勋，荣才权. 根系形态和层次结构对根土复合体力学特性影响研究. 岩土工程学报. 2022(05): 926-935 . 本站查看
10.	杨家庆，鲁明星，吴冠辰，袁雪涛，李富平，许永利，李小光. 矿山边坡植被修复研究现状及发展趋势分析. 矿山测量. 2022(01): 83-87 . 百度学术
11.	穆奎，潘伟良，王利彬，李婷，陈雅雯，丁奠元. 生态河道植物护坡工程技术研究现状与展望. 水利与建筑工程学报. 2022(03): 206-216 . 百度学术
12.	毕银丽，罗睿，王双明. 接菌对紫花苜蓿根系抗拉性及根菌复合土体抗剪强度影响. 煤炭学报. 2022(06): 2182-2192 . 百度学术
13.	黄琛，张友谊，叶小兵. 基于SEEP/W的强震区根系土坡面物源失稳机制分析. 科技通报. 2022(07): 57-66+72 . 百度学术
14.	李杰. 河道整治中根系植被特征对岸坡改良土影响试验研究. 水利技术监督. 2022(10): 129-132+177 . 百度学术
15.	梅红，胡国长，王禄艺，梅绪哲，刘瑾，徐佳俊，杨欣雅，杨诺. 边坡植被固土抗冲刷特性及其护坡机理研究. 河北工程大学学报(自然科学版). 2022(04): 86-91 . 百度学术
16.	姜彤，李龙飞，薛雷，黄坤，丁昊，王昊宇. 乔木护坡效果物理模型试验研究. 科学技术与工程. 2022(35): 15546-15553 . 百度学术
17.	陈飞，施康，钱乾，罗特. 根土复合体材料的抗剪强度特性研究进展. 有色金属科学与工程. 2021(06): 96-104 . 百度学术