【正文】 受構(gòu)造破壞或較輕的中厚層(大于30cm)巖體結(jié)構(gòu)面23組，以層面為主，有時(shí)也有軟弱夾層或?qū)娱g錯(cuò)動(dòng)面，其延續(xù)性較好，層間結(jié)合力較差塊狀、柱狀、厚板狀薄層狀結(jié)構(gòu)厚度小于30cm，在構(gòu)造作用下發(fā)生強(qiáng)烈褶曲和層間錯(cuò)動(dòng)層理、片理發(fā)達(dá)，原生軟弱夾層、層間錯(cuò)動(dòng)和小斷層不時(shí)出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)面多為泥膜、碎屑和泥質(zhì)充填板狀、薄板狀碎裂結(jié)構(gòu)鑲嵌結(jié)構(gòu)一般發(fā)育于脆硬巖層中，結(jié)構(gòu)組數(shù)較多，密度較大以規(guī)模不大的結(jié)構(gòu)面為主，但組數(shù)多，密度大，延續(xù)性差，閉合無填充或充填少量碎屑形狀不規(guī)則，但菱角顯著層狀碎裂結(jié)構(gòu)受構(gòu)造裂隙切割的層狀巖體以層面、軟弱夾層、層間錯(cuò)動(dòng)面等為主，構(gòu)造裂隙甚發(fā)達(dá)以碎塊狀、板狀、短柱狀為主碎裂結(jié)構(gòu)巖性復(fù)雜，構(gòu)造破碎較強(qiáng)烈，弱風(fēng)化帶延續(xù)性差的結(jié)構(gòu)面，密度大，相互交切碎屑和大小不等的巖塊。形狀多種，不規(guī)則散體結(jié)構(gòu)構(gòu)造破碎帶、強(qiáng)烈的風(fēng)化帶裂隙和節(jié)理很發(fā)達(dá)，無規(guī)則巖屑、碎片、碎塊、巖粉巖石中普遍存在的結(jié)構(gòu)面，無論是物質(zhì)分異面還是物質(zhì)不連續(xù)面，都會(huì)使結(jié)構(gòu)面兩側(cè)附近的巖石物理力學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)不連續(xù)變化。巖石裂隙性的情況，通常采用裂隙頻率作為定量評(píng)價(jià)巖石被裂隙切割后破碎程度的指標(biāo)。(或裂隙頻率)單向裂隙指在表面的法線方向上每單位長(zhǎng)度內(nèi)，法線與結(jié)構(gòu)面的相交的數(shù)目，以()表示。即單向裂隙率的倒數(shù)為成組結(jié)構(gòu)面之間的平均間距，以d表示： ()式中， 單向裂隙() 結(jié)構(gòu)面間平均間距(m) 平面裂隙率是指在單位面積上所有裂隙所占有巖石的面積總和，亦即： () 式中： 第i條裂隙面長(zhǎng)度(m) 第i條裂隙面的寬度(m) 被測(cè)量的巖石總面積() 裂隙率愈大，表明巖石愈破碎、強(qiáng)度愈低透水性愈大，且易被風(fēng)化產(chǎn)物所充填，形成軟弱結(jié)構(gòu)面，釀成工程隱患。 圖22巖石裂隙圖巖石在外力作用下處于破壞狀態(tài)時(shí)的極限應(yīng)力，是巖石力學(xué)性質(zhì)的主要屬性質(zhì)。由于巖石材料的不確定性，所以極限應(yīng)力并不是一個(gè)定值，它通常通過試驗(yàn)求得的。在巖石力學(xué)的一般概念中，巖石的成分是巖塊和巖體。巖塊是不連續(xù)的，是巖體的基本組成單元。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用的巖樣就是巖塊。巖體是指地質(zhì)體的一部分。在巖石和巖石經(jīng)歷了相同的演化史和地質(zhì)環(huán)境，但它們的性質(zhì)是不同的。強(qiáng)度就是它們的主要區(qū)別點(diǎn)：巖塊的強(qiáng)度主要取決于構(gòu)成巖石的礦物和顆粒之間的聯(lián)結(jié)力和微裂隙的影響；而對(duì)巖體強(qiáng)度起主要作用的則是巖體中的結(jié)構(gòu)面和構(gòu)造特征。變形和強(qiáng)度是巖體兩類的力學(xué)性質(zhì)，本構(gòu)關(guān)系來反映變形性質(zhì)，強(qiáng)度準(zhǔn)則來反映強(qiáng)度性質(zhì)。巖石材料破壞的形式有兩種：斷裂破壞和流動(dòng)破壞（出現(xiàn)顯著的塑性變形或流動(dòng)現(xiàn)象）。其中斷裂破壞發(fā)生于應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，流動(dòng)破壞發(fā)生于應(yīng)力達(dá)到屈服極限。 巖石強(qiáng)度一般包括抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度，其中確定巖石工程穩(wěn)定性的主要因素主要是抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。在材料力學(xué)中有關(guān)于材料強(qiáng)度破壞決定性因素的各種假說，這些假說也被稱為強(qiáng)度理論。分別是：（1）解釋材料強(qiáng)度理論——脆性斷裂的最大拉伸應(yīng)力，拉伸應(yīng)變理論（2）塑性屈服強(qiáng)度理論——最大剪應(yīng)力，有效剪應(yīng)力理論但是，由于（巖面）材料的破壞，從微觀顆粒脫離情況而言，不外遠(yuǎn)離、錯(cuò)開兩種可能，物體破壞只有拉壞和剪壞兩種。由于巖石抗壓不抗拉，所以材料力學(xué)中第一、二、三、四強(qiáng)度理論不適用。巖石強(qiáng)度理論——指巖石在某應(yīng)力或應(yīng)變條件下產(chǎn)生破壞的判據(jù)，主要分為主要有三種:（1）庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則（2）莫爾強(qiáng)度理論（3）格里菲斯強(qiáng)度理論將圍巖近似視為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，用彈性力學(xué)的基本理論來分析圍巖的應(yīng)力和位移分布。巷道半徑相對(duì)巷道長(zhǎng)度很小，按平面應(yīng)變問題考慮。計(jì)算模型如圖23所示： m 圖 23含圓孔薄板雙側(cè)受壓的力學(xué)模型 ()可以將模型分解為兩種模型的疊加，如圖24所示： MMM (a) (b) (c) 圖24含圓孔薄板雙側(cè)受壓的疊加計(jì)算模型圖24中（b）圖中M點(diǎn)的各應(yīng)力分量,根據(jù)彈性理論為： () 邊界條件： () 設(shè)應(yīng)力函數(shù)： () 根據(jù)邊界條件解得應(yīng)力函數(shù)為： () 根據(jù)疊加原理得到和同時(shí)作用時(shí)圓形巷道圍巖重分布應(yīng)力為： ()根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系即物理方程（）和應(yīng)變和位移的關(guān)系即幾何方程（），解得位移的彈性解（）： () () () 圖25 含有空洞圍巖應(yīng)力分布圖 當(dāng)=時(shí)，%。因此，一般認(rèn)為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為。在該范圍以外，不受開挖影響，這一范圍內(nèi)的巖體就是常說的圍巖，是有限元計(jì)算模型的邊界范圍。斷裂損傷力學(xué)的發(fā)展，是對(duì)經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的一個(gè)重要貢獻(xiàn)。它們是把介質(zhì)看成是存在許多缺陷和裂紋的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。斷裂力學(xué)的研究一般多限于宏觀裂紋（裂紋尺寸多數(shù)在數(shù)毫米或數(shù)厘米以上）。由裂紋前緣的應(yīng)力和位移根據(jù)斷裂因子判斷裂紋的擴(kuò)展及其開裂方向，損傷力學(xué)以微觀裂紋為出發(fā)點(diǎn)。它認(rèn)為材料總是存在分布性缺陷，即所謂損傷。損傷的成因和方式是多方面的，有初始損傷、彈塑性損傷、疲勞損傷、蠕變損傷，損傷作為一種“劣化因素”結(jié)合到彈、塑粘性介質(zhì)中，作為宏觀力學(xué)來考慮。(1)線彈性斷裂力學(xué)的基本理論Griffith(格里菲斯)斷裂強(qiáng)度理論Griffith認(rèn)為任何固體材料其內(nèi)部和表面總會(huì)存在或形成或多或少、一定大小的裂紋。固體的破壞是由于裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。而裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展的條件是由裂紋擴(kuò)展時(shí)所釋放的彈性應(yīng)變能和形成新表面所吸收的表面能之間的失穩(wěn)現(xiàn)象所引起的。
他將含有裂紋的受力系統(tǒng)分為兩類：：物體在外力作用下產(chǎn)生彈性應(yīng)變能，應(yīng)變能并且被儲(chǔ)存下來，如果物體受力出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象或者裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，則儲(chǔ)存在物體內(nèi)的彈性應(yīng)變能將有一部分被釋放出來或轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。能量的關(guān)系是：1. () 則裂紋擴(kuò)展前后的能量改變量： ()設(shè)裂紋長(zhǎng)度原來為2a，則 ()
Griffith通過實(shí)驗(yàn)假定，制造人工裂紋時(shí)和沒有裂紋時(shí)，每單位厚度應(yīng)變能之差值（釋放能量）：
()在封閉系統(tǒng)中整個(gè)系統(tǒng)位能改變量 ()也就是失穩(wěn)的臨界應(yīng)力。伊爾文理論
Griffith理論和奧羅文理論都是以能量作為衡量固體材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，而伊爾文則主張用裂紋前緣區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)弱程度來判斷固體的裂紋擴(kuò)展和斷裂以及固體的強(qiáng)度。這樣就考慮了應(yīng)力集中對(duì)裂紋的影響，以下主要介紹伊爾文理論的計(jì)算方法。
裂紋的基本形式：伊爾文的線彈性斷裂力學(xué)的基本觀點(diǎn)，是位移的變形裂縫的概念來描述。因而將裂紋分為以下三種形式如圖26所示：圖 26裂紋三種基本模式Ⅰ. 張開型（Ⅰ型）：由于張應(yīng)力的作用而張開，特點(diǎn)是裂紋上下面位移是對(duì)稱的。
Ⅱ. 滑開型（Ⅱ型）：由于剪應(yīng)力的作用而滑開，上下表面切向位移反對(duì)稱。
Ⅲ. 撕開型（III型）由于橫向力偶使上下表面斷向（z方向）相對(duì)位移產(chǎn)生橫向扭剪。
本課題主要探討的是Ⅱ型裂紋，裂紋尖端附近應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的主要表達(dá)式為：圖27Ⅰ型裂紋 () 這里： (2)斷裂判據(jù)在復(fù)雜荷載作用下，如何判斷裂紋是否開裂，這就需要象強(qiáng)度理論一樣的斷裂判據(jù)理論。根據(jù)巖石抗壓不抗拉的性質(zhì)，本文使用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則。這里基本假定：①裂紋的初始擴(kuò)展方向是切向正應(yīng)力的最大值方向；②沿著這個(gè)方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值時(shí)裂紋將開始擴(kuò)展。在平面應(yīng)力情況下, 裂紋尖端的應(yīng)力分布的極坐標(biāo)表達(dá)式為（）： ()根據(jù)最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則假定：裂紋擴(kuò)展時(shí)，擴(kuò)展方向的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到臨界值，此時(shí) ()式中為裂紋擴(kuò)展角處的擴(kuò)展拉應(yīng)力，將值代入得 ()最大拉應(yīng)力作用下的擴(kuò)展角可由()得: ()裂紋起始擴(kuò)展量沿著切向正應(yīng)力達(dá)到最大值的方向發(fā)生；也就說沿著豎直方向更容易發(fā)生擴(kuò)展。(1)ANSYS簡(jiǎn)介隨著計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、工程管理學(xué)，特別是信息技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)值模擬可以廣泛的土木，機(jī)械，電子，能源，冶金，國(guó)防，航空航天等領(lǐng)域。有限元分析在工程領(lǐng)域的一個(gè)計(jì)算方法更廣泛的應(yīng)用，自成立以來，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，廣泛的應(yīng)用計(jì)算的發(fā)展，已出現(xiàn)了不同的有限元算法，并由此產(chǎn)生了一批非常成熟的通用和專業(yè)有限元商業(yè)軟件。ANSYS軟件以它的多物理場(chǎng)耦合分析功能而成為CAE軟件的應(yīng)用主流，在工程分析應(yīng)用中得到了較為廣泛的應(yīng)用。ANSYS軟件包括前和處理模塊，計(jì)算模塊和模塊后。并且ANSYS產(chǎn)品家族中有七種結(jié)構(gòu)分析的類型：靜力分析、模態(tài)分析、諧波分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、譜分析、屈服分析、顯示動(dòng)力分析。此外還具有斷裂力學(xué)，復(fù)合材料，疲勞分析的特殊應(yīng)用。ANSYS的基礎(chǔ)思想仍然是有限元法的基礎(chǔ)上，所以它繼承了有限元方法的優(yōu)點(diǎn)，有限元方法，基于加權(quán)殘值法和變分原理，它的優(yōu)點(diǎn)是：部分的考慮了沿途的非連續(xù)性，所以對(duì)于工程中的非連續(xù)介質(zhì)有更好的適應(yīng)性，比之前的方法更具符合現(xiàn)實(shí)工程。有限元在模擬工程問題時(shí)，雖然有強(qiáng)大的功能，但是仍有許多不可避免的問題，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，模擬參數(shù)越多，模擬理論越精細(xì)，實(shí)驗(yàn)則越精細(xì)，從而實(shí)現(xiàn)難度越大，所以模擬試驗(yàn)的結(jié)果不能單一作為重大工程的依據(jù)，它只能作為參考依據(jù)。以本課題為例：首先，對(duì)隧道圍巖，在圍巖分類方法包含多個(gè)參數(shù)，以及一些參數(shù)是不知道的。并且，圍巖處于自然環(huán)境中，周圍充滿了許多的不可知性，這也對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生了較大的影響。其次，工程中的圍巖材料都是非均勻性，而目前的有限元法都是基于連續(xù)介質(zhì)，所以對(duì)于巖土這類非均勻介質(zhì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況總有些差距。（1）數(shù)值計(jì)算模型 本章根據(jù)工程中常見的馬蹄形斷面巷道，采用ANSYS軟件建立巷道圍巖的平面應(yīng)變模型。斷面尺寸為跨度8m、高度8m，根據(jù)巷道圍巖開挖后影響區(qū)域的相對(duì)局部性，取計(jì)算模型尺寸為斷面的5~8倍，為。其位移邊界條件為：模型兩側(cè)施加水平鏈桿，底部固支；如圖31所示。這里認(rèn)為圍巖為均勻連續(xù)的彈性體，考慮模型自重以及模型上覆巖石的自重。取巷道埋深1000m，本文采用砂巖作為試樣，所以圍巖上部施加載荷為25Mpa。各巖層力學(xué)參數(shù)如表31所示。計(jì)算中采用PLANE182單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，如圖32所示。 圖31模型尺寸 圖32網(wǎng)格劃分 表31巖石力學(xué)參數(shù)巖性彈性模量/泊松比密度/粘聚力/內(nèi)摩擦角 載荷/砂巖250025灰?guī)r260026石英巖260026白云巖230023風(fēng)化碳質(zhì)巖280028在有限元建模非連續(xù)結(jié)構(gòu)面，因?yàn)椴煌牟考g沒有鍵合在一起，有時(shí)還需要考慮摩擦力的問題，就有必要在模型中定義接觸，定義了接觸問題，就被稱為接觸問題，這是一種高度非線性的問題，需要大量的求解。接觸問題按接觸對(duì)象分為兩種基本類型 ：剛體—柔體的接觸，柔體—柔體的接觸問題。在一般情況下，軟材料和硬材料接觸時(shí)，問題可以被認(rèn)為剛體—柔體的接觸，許多金屬成形問題都屬于此類接觸；另一類，柔體—柔體的接觸，是一種更普遍的類型，在這種情況下，兩個(gè)接觸體都是變形體（有近似的剛度）。接觸問題按照接觸形式分為五種基本的接觸模型，分為：點(diǎn)點(diǎn)接觸、點(diǎn)面接觸、線面接觸；線線接觸及面面接觸。每種模型使用不同的接觸單元來分析模型中的不同問題。根據(jù)接觸單元的規(guī)則，本課題屬于柔體—柔體的接觸問題，又由于是平面應(yīng)變問題，所以簡(jiǎn)化成為線線接觸，使用CONTACT172和TARGET168單元?？梢岳媒⒘严兜姆椒ń⒕植糠沁B續(xù)結(jié)構(gòu)面具體參數(shù)如表32和表33所示：表32非連續(xù)結(jié)構(gòu)面設(shè)置參數(shù)長(zhǎng)度/m圓心/mR1/mR2/m表33非連續(xù)結(jié)構(gòu)面間的接觸參數(shù)切向剛度/Mpa法向剛度/Mpa