控制围岩变形以及预注浆加固的数值模拟

1、控制围岩变形以及预注浆加固的数值模拟1 概述在地下工程问题分析中， 常用的数值方法有有限元、 边界元、 离散元等。然而，这些理论方法本身以及采用的算法，都有各自 的局限性。例如，有限元和边界元都有介质连续和小变形的限制， 且有限元要解大型矩阵， 需要大量的内存。 国内现有的离散元程 序，一般都假定离散的块体为刚性体， 这仅适合于处理低应力的 情况；同时，这种离散元求解时所花的时间也相当可观。近年来 发展起来的快速拉格朗日分析 (Fast Lagrangian Analysis of Continua，简称FLAC),则是在较好地吸取了上述方法的优点和 克服其缺点的基础上形成的一种新型的数值分析

2、方法。2 FLAC 软件的主要特点FLAC程序是一种显函数有限差分程序，由美国 ITASCA咨询 集团公司开发，首先由 Cundall 在 80 年代提出并将其程序化、 实用化。FLAC基本原理类同于离散元法，但它却能像有限元那 样适用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求 解。在求解过程中，FLAC又采用了离散元的动态松驰法，不需 求解大型联立方程组 (刚度矩阵 ) ，便于微机上实现。另一方面， 同以往的差分分析相比，FLAC在以下几方面作了较大改进和发 展：它不但能处理一般的大变形问题， 而且能模拟岩体沿某一软 弱结构面产生的滑动变形。FLAC还能针对不同材料特性，使用 相应的本

3、构方程来比较真实地反映实际材料的动态行为。此外， 该数值分析方法还可考虑锚杆、 挡土墙等支护结构与围岩的相互 作用。3 计算模型的建立3.1 几何模型模型总宽度为102m高度为72.4m,岩层倾角为7o,两条 石门之间的距离为46m石门底板岩层厚度为 30m顶板岩层厚 度为38.4m;为了消除模型边界对模拟结果的影响，模型边界距 离巷道为23m，见图1所示。对于上覆岩层没有在模型中显示的 部分，采用载荷来代替。根据石门所处的底层条件建立数值模型， 首先计算循环至稳 定，模型上边界施加的载荷和模拟地层应力达到平衡， 即实现了 石门开挖前的原始地应力条件。 其次开挖石门安装支护结构， 计 算循环至

4、稳定。 最后对西一石门四联至五联扩刷架棚支护和注浆 加固。3.2 边界及初始条件初始条件与知道的压力和饱和度相关。这两个值必须与FLAC3D公式一致：当饱和度小于 1时孔隙水压力必须为零，反 之亦然。（在FLAC3D中，默认初始孔隙水压力为零饱和度为1）四种形式的边界条件被考虑了， 分别对应于： 给出孔隙水 压力；给出边界法向的比流量矢量； 透水边界；隔水边界。 对石门的边界设定为隔水边界。在FLAC3C中，默认边界为隔水，饱和度不能作为边界条件 施加。（注意为了保持模型的满饱和，流体弹性模量可能需要设 置成一个较大的负数。）渗透边界有如下形式： qn=h（p-pe ）这里 qn 是垂直于边界

5、的比流量矢量的外垂直线方向的部 分， h 是渗透系数，单位 m3/N-sec ， p 是在边界表面的孔隙压 力，而 pe 是在渗透层的孔压。3.3 力学参数在建立的分析模型基础上， 通过改变注浆加固圈的围岩参数 来模拟注浆加固的效果，注浆加固圈的参数设置见表 3.1 所示。3.4 数值模拟结果分析图 2图 3 为注浆条件下的围岩垂直方向应力以及位移等的 分布及特征。4 模拟结果分析下面就图 2、图 3 做出相应的分析以及讨论。从巷道围岩应力看，采用U型棚和注浆加固巷道围岩的应力 相对其他方案要大， 这说明在巷道采用加固措施前巷道围岩屈服 深度已趋于相对稳定， 采用注浆加固了巷道松动圈范围内的破

6、碎 岩体，防止破碎岩体的松动。从石门围岩位移量看，采用扩刷架U29型棚支护+壁后深浅 孔注浆联合支护能有效降低塑性屈服范围， 注浆加固了巷道 2.5m 范围内的破碎围岩， 在巷道使用期间深部围岩对加固体的作用力 相对其他方案大， 这说明采用 U 型棚和注浆加固体承受深部围岩 的载荷，同时支护结构受力大。两帮和顶板注浆加固作用明显， 而底板塑性区增加。 注浆加固有效的控制了围岩的变形， 顶底板 的位移量明显降低。 注浆后的变形量主要是在石门底板， 而顶板 和两帮的变形量远小于没有注浆石门， 这也说明加固两帮和顶板 能有效的控制石门底鼓。 以上为进行选择和设计注浆预加固参数 提供了依据。5 问题与讨论 综上所述，在巷道采用加固措施前巷道围岩屈服深度已趋于 相对稳定， 采用注浆加固了巷道松动圈范围内的破碎岩