各向异性岩体地层中隧道的数值分析---Part 2

1 引言

在《各向异性岩体地层中隧道的数值分析(Tunnels in Anisotropic Rock Mass)---Part 1》中讨论了研究对象，施工技术和数值模拟方法的选择以及参数标定。这个笔记Part 2简略地讨论了隧道模拟的过程，如果需要更详细的解释看报告吧。

数值模拟的通用步骤如下：(1)建立合适的几何模型; (2) 确定岩体的本构模型及相应的材料参数; (3) 如果需要支护，确定支护模型及相应的材料参数; (4) 确定施工顺序，包括支护的安装及支护结构与岩体的相互作用。 

2 模拟过程

(1) 建立隧道的几何模型。在隧道与竖井的交叉点一个直径(15m)的围岩内，使用各向异性模型按照间距1m模拟岩体的不连续，其余围岩按照普通连续介质处理，如下图所示。

(2) 输入材料参数。岩体破坏准则选择Mohr-Coulomb本构模型，应力状态ko各向异性参数取值: Ko_max=1.5, ko_min=0.88, ko_max与参考轴的夹角105°，如下图所示。

普通围岩的材料参数：弹性模量: E=4.548GPa; 泊松比 v=0.25; 内聚力 c=810kPa; 内摩擦角 fei=46°, 抗拉强度 t=310kPa.

喷射混凝土使用2D壳单元；岩石锚杆使用1D梁单元[梁结构元简要回顾(struct beam)]和桩界面元。

3 模拟结果

对于隧道开挖，最关心的应该是塑性半径，因为这与锚杆支护相关，模拟结果显示这个隧道的塑性半径大约为2m。在进行详细的数值模拟之前，通常可以使用简单的弹塑性解析解估算塑性半径【巷道围岩塑性区的确定】；其次，隧道顶部的位移，模拟结果显示最大位移量为3cm左右，这个结果应该在可接受的范围内；岩石锚杆的内力和位移也是模拟应该检查的对象。

4 各向异性模型

奇怪的是，这个报告的主题的是“连续+界面元”，但报告中并没有明确地显示如何使用各向异性模型和如何设置界面元，作为补充简单提一下。GTS NX提供了完全的各向异性材料模型(对比FLAC3D的材料模型【本构模型(Constitutive Models)选择】)。各向异性材料的选择在Orthotropic组下：(1) 横观各向同性(Transversely Isotropic); (2) 节理化岩体(Jointed Rock Mass); (3) 二维正交(2D Orthotropic); 此外结构元Geogrid也可以看作是各向异性材料。节理化岩体，需要输入两个方向的弹性模量和泊松比以及层面的倾斜角度，此外还可以输入最多三组节理的力学参数。选择性的参数是岩石的内聚力，内摩擦角和膨胀角，如下图所示。

下图所示的是输入的三组节理面，20°，60°和130°。

5 结束语

当进行数值模拟时，需要作的一件事情是对材料参数进行标定或称之为校准，这是因为岩土参数对计算结果的敏感性很强，例如【各向异性岩体地层中隧道的数值分析(Tunnels in Anisotropic Rock Mass)---Part 1】，在某些情况下，还需要作参数的敏感性分析【岩石边坡平面滑动稳定性分析---带有拉伸裂缝(with tension crack)】。当不具备物理试验条件时，可以通过数值试验进行标定，大量的例子是使用FLAC3D，3DEC或PFC进行参数标定。Rocscience软件和Plaxis也发展出类似的试验流程。

以前曾经讨论过FLAC3D和3DEC的各向异性模型【各向异性岩体的数值模型(Anisotropic Rock Mass Model)】，GTS NX和Plaxis使用节理化岩体模型(Jointed Rock Mass))模拟岩体的各向异性。这两个软件的输入参数基本相同，稍有不同的是Plaxis只需要输入一个剪切模量G2，它可能假定两个方向的剪切模量相同。正在Plaxis中作节理岩体模型的标定/校准(Calibration of Jointed Rock Mass)试验，还不知道是否能成功。