【正文】 el bottom section were proposed accordingly. This study could offer theoretical basis for deep tunnel construction in similar geological conditions.KeywordsDeep tunnel。當(dāng)裂隙處于45176。①裂隙位置對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響隨著裂隙所處徑向夾角的增加，巷道整體的應(yīng)力分布并沒有明顯的變化。當(dāng)角度由0176。時(shí)的豎向應(yīng)力云圖如圖413所示。處夾角變化的豎向應(yīng)力裂隙處于巷道拱形處45176。在巷道的底部和兩側(cè)存在拉應(yīng)力。、30176。并且，當(dāng)角度從60176。、90176。增加到15時(shí)，裂紋尖端的水平應(yīng)力也隨之增加，當(dāng)角度繼續(xù)增加到90176。、45176。另外，當(dāng)角度從0176。巷道的兩側(cè)存在豎向應(yīng)力最大值。、15176。 (a)θ=0 (b)θ=15 (c)θ=30(d)θ=45 (e)θ=60 (f)θ=75(g)θ=90圖43不同徑向角度非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平應(yīng)力圖44不同夾角裂紋尖端的水平應(yīng)力由圖43和圖44可以看出：由于裂隙和巷道的尺寸相比較非常小，裂隙位置的改變并不影響巷道整體水平應(yīng)力分布的對(duì)稱性，但是影響了水平應(yīng)力分布的區(qū)域大小。 （1）不同徑向夾角裂隙的水平應(yīng)力裂隙處于不用徑向夾角0176。取裂隙與水平方向x軸的夾角分別為0176。30176。45176。取巷道埋深1000m，本文實(shí)驗(yàn)試樣為砂巖，上部施加載荷為25Mpa。(a)f= (b)f= (c)f= (d)f= (e)f= 圖337不同摩擦系數(shù)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平應(yīng)力 圖338隨摩擦系數(shù)變化巷道附近最大水平應(yīng)力由圖337和圖338可以看出：巷道的水平應(yīng)力分布總體關(guān)于y軸對(duì)稱，并且巷道的水平拉應(yīng)力出現(xiàn)在頂部和兩側(cè)。(a)白云巖 (b)灰?guī)r (c)強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)巖 (d)砂巖 (d)石英巖圖331不同巖性非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎直應(yīng)力圖332隨巖性變化巷道附近最大豎向應(yīng)力由圖331和圖332可以看出：巷道整體受壓，并且在巷道的兩側(cè)存在最大的豎向應(yīng)力；在五中巖性中，其中砂巖的壓應(yīng)力最小，白云巖的壓應(yīng)力最大。(a)白云巖 (b)灰?guī)r (c)強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)巖 (d)砂巖 (e)石英巖圖327不同巖性非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎向位移圖328隨巖性變化巷道附近最大豎向位移由圖327和圖328可以看出：隨著圍巖深度的增加，圍巖中的豎向位移也在逐漸增加。增加到90176。增加到90176。增加到90176。到90176。 (a)w=15 (b)w=18 (c)w=(d)w=30 (e)w=45 (f)w=60圖315不同尺寸非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎直應(yīng)力圖316隨非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸變化巷道附近最大豎向應(yīng)力由圖315可以看出：巷道整體受壓，并且豎向應(yīng)力分布關(guān)于y軸對(duì)稱。由圖312可以看出，隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的增加，巷道上的最大水平位移也隨之逐步增加。（2）巷道圍巖的鉛垂應(yīng)力非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同高度時(shí)圍巖豎向應(yīng)力云圖如圖39所示。最大位移出現(xiàn)在巷道的兩側(cè)底部和巷道徑向45176。120176。分別考慮非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度：25m、20m、15m、10m、0m、10m、15m、20m、25m，依次模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面高度對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響。 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。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。ANSYS軟件以它的多物理場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。
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。固體的破壞是由于裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。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。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。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用的巖樣就是巖塊。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。在這種情況下，對(duì)巖體工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各種結(jié)構(gòu)面分割的巖石塊體，而主要是巖體中存在的結(jié)構(gòu)面，或者是由巖石和結(jié)構(gòu)面共同控制。然而，任何一種分析方法都不是萬能的、唯一的、排它的，如果能把2種或多種方法融合起來，取長補(bǔ)短，則對(duì)問題的分析更有用。與有限元相比,具有計(jì)算時(shí)間短、計(jì)算范圍大等特點(diǎn),但邊界元法對(duì)奇異邊界較難處理。其基本思想是巖塊之間的相互作用，同時(shí)受位移力的物理方程和力加速度(速度、位移)的運(yùn)動(dòng)方程的支配,通過迭代求解顯示巖體的動(dòng)態(tài)破壞過程。解析法也具有精度高,速度快和易于進(jìn)行規(guī)律性研究等優(yōu)點(diǎn)。這表明，在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)定基準(zhǔn)值時(shí)難以用數(shù)值方式表示。計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)方法的加深利用，使我們對(duì)地下工程的一些問題進(jìn)行分析與研究的可行性增大，但是研究的方向、途徑、策略手段、和其選擇模型是否可行，則需要不斷地的鉆研和改進(jìn)。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)提取結(jié)構(gòu)面的有關(guān)參數(shù)。然而實(shí)際工程中巷道圍巖的性質(zhì)并非連續(xù)、均勻的，巷道圍巖中存在著許多或大或小的裂隙群，在外部環(huán)境影響下，裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展直至貫通，使圍巖產(chǎn)生不同程度的破壞，從而影響巷道圍巖的穩(wěn)定性，從而也會(huì)影響到煤炭開采工作的安全進(jìn)行。目前，世界煤炭可采儲(chǔ)量約為9000多億噸，按照目前的全球生產(chǎn)能力，煤炭資源尚可開采不到200年，而石油大約開采不到50年，天然氣大約可以開采約50多年。國內(nèi)煤炭需求也旺盛。專家評(píng)分階段：到20世紀(jì)70年代，對(duì)圍巖的破壞的理論基礎(chǔ)有了加深的認(rèn)識(shí)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響因素從單一因素到多因素、多指標(biāo)發(fā)展，同時(shí)對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)在定性的基礎(chǔ)上進(jìn)行了量化，對(duì)定性指標(biāo)采取專家的建議[3]。(1964)研究了巖體結(jié)構(gòu)面形狀統(tǒng)計(jì)分布,建立了“”各項(xiàng)異性及其分布特征，周創(chuàng)兵發(fā)展了巖石節(jié)理張開度的概率模型[3]；謝和平等研究了節(jié)理表面形態(tài)的分布特點(diǎn)，探討了分維值與結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的主要因素[3]。因此，作為以應(yīng)用技術(shù)為主的研究人員, 在處理工程技術(shù)問題中，應(yīng)端正好研究問題的重心，不必在繁瑣的計(jì)算問題上糾纏不休，而忽視了簡單而有效的方法。綜上所述：巖體力學(xué)理論機(jī)理的不成熟成為地下工程圍巖穩(wěn)定分析方法目前還難以擺脫經(jīng)驗(yàn)與工程類比方法的主要原因。多數(shù)的工程問題在特定條件下用數(shù)值法求解更能貼近實(shí)際。FLAC。(3)不確定性方法影響地下硐室圍巖穩(wěn)定性因素主要為地下巖石的性質(zhì)、巖石的組合形態(tài)、巖石地下應(yīng)力狀態(tài)以及地下水的賦存情況等,這些因素具有很大的不確定性,表現(xiàn)出隨機(jī)性和模糊性,因此可采用模糊數(shù)學(xué)和可靠度方法進(jìn)行研究。本文結(jié)合工程實(shí)際情況，以圍巖穩(wěn)定性的彈性力學(xué)、斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，主要運(yùn)用數(shù)值模擬的手段，采用ANSYS軟件對(duì)含非連續(xù)結(jié)構(gòu)面以及裂隙的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)地研究，具體研究內(nèi)容與方法如下：（1）結(jié)合工程實(shí)際情況建立馬蹄形隧道的數(shù)值計(jì)算模型，利用接觸單元模擬非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的工作性狀，分析含有非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的隧道圍巖的應(yīng)力與位移場的分布規(guī)律。 巖石的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)基本要素：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體。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。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。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。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）。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。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。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。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。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。③研究非連續(xù)結(jié)構(gòu)面角度的變化對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響,巖性為砂巖，非連續(xù)結(jié)構(gòu)面長度為20m，距離巷道高度為20 m。④研究巖石性質(zhì)變化非連續(xù)結(jié)構(gòu)面對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響，巖石性質(zhì)分別為：砂巖、灰?guī)r、石英巖、強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)灰?guī)r、白云巖。（2）巷道圍巖的鉛垂位移非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同高度時(shí)圍巖豎向位移云圖如圖35所示。（1）巷道圍巖的水平位移非連續(xù)結(jié)構(gòu)面為不同尺寸時(shí)圍巖水平位移云圖如圖311所示。由圖314可以看出：隨著非連續(xù)結(jié)構(gòu)面尺寸的增加，巷道上的最大豎向位移并沒有明顯的改變。（1）不同角度非連續(xù)面的水平位移非連續(xù)結(jié)構(gòu)面處于不同角度時(shí)圍巖水平位移云圖如圖317所示。時(shí)，巷道上的最大水平位移又隨之減少。增加到180時(shí)，巷道上的最大豎向位移又隨之減少。再增加到180176。巷道上的最大豎向應(yīng)力又從拉變?yōu)閴?。?）巖性變化的水平應(yīng)力以下為圍巖為不同巖性：白云巖、灰?guī)r、強(qiáng)風(fēng)化碳質(zhì)巖、砂巖、石英巖時(shí)的水平應(yīng)力云圖如圖329所示。(a)f= (b)f= (c)f=(d)f= (e)f=圖333不同摩擦系數(shù)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的水平位移圖334隨摩擦系數(shù)變化巷道附近最大水平位移由圖333和圖334可以看出：巷道的兩側(cè)存在最大水平位移，并且隨著摩擦系數(shù)的增加，巷道的最大水平位移也隨之逐漸減小。(a)f= (b)f= (c)f= (d)f= (e)f= 圖339不同摩擦系數(shù)非連續(xù)結(jié)構(gòu)面的豎直應(yīng)力 圖340隨摩擦系數(shù)變化巷道附近最大豎向應(yīng)力由圖339和圖340可以看出：巷道整體受壓，并且在巷道的兩側(cè)存在巷道的最大的豎向應(yīng)力；隨著摩擦系數(shù)的增加，巷道的最大豎向應(yīng)力也隨之減少。 圖41模型尺寸 圖42網(wǎng)格劃分（2）數(shù)值計(jì)算方案本章主要考察裂隙處于巷道周邊不同位置以及取不同方位時(shí)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。90176。75176。45176。、45176。增加到60176。、60176。時(shí)，巷道底部和頂部的壓應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)角度再從30176。增加到90176。、90176。、15176。巷道的兩側(cè)存在最大豎向應(yīng)力。176。、75176。裂紋尖端的水平應(yīng)力隨之增加，當(dāng)角度繼續(xù)增加到45176。、30176。巷道的頂部和底部存在拉應(yīng)力，并且隨著角度的增加，裂紋尖端的豎向應(yīng)力隨之減小。位移和應(yīng)力反而減小。隨著角度增加，裂紋尖端的水平應(yīng)力是增長趨勢(shì)；裂紋尖端的豎向應(yīng)力整體是減小的趨勢(shì)。兩種情況，這時(shí)，水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力都偏大，容易產(chǎn)生破壞。andstudied the support system in terms of ene