应用PLAXIS 有限元程序分析平硐围岩稳定性

2012-07-02张吉波

长春工程学院学报（自然科学版） 2012年1期

张吉波，张领

（河南省郑州地质工程勘察院，郑州450053）

1 工程概况

河南省洛宁吉家洼金矿外围金矿位于洛宁县南西方向，距底张乡18km，为使金矿能得到合理开采，以取得最大的经济效益，需对通往矿区的PD868S平硐工程进行详细的矿区勘察，平硐宽2.4m，高2.5m，为弧形顶，其平面图和剖面图如图1所示，为确保硐室内施工的安全，须对其硐室岩体稳定性进行评价，以确定支护措施。

2 工程地质条件

根据区域地质资料，在PD868S平硐内没有断裂经过。通过钻探、动力触探揭示，结合室内土工试验分析结果，其工程地质情况如下：

第①层（Qal＋pl4）：粉质黏土，黄褐色，稍湿，可塑。含大量植物根系，偶夹碎石，碎石粒径0.5～3cm。光滑，干强度中等，韧性较高。该层分布稳定，层底深度1.6～3.2m，层底标高908.09～925.02m，层厚1.6～3.2m。

第②层（Qal＋dl4）：碎石土，稍湿，底部很湿，含大量卵漂石，其主要成分为黑云角闪斜长片麻岩，粒径2～30cm；局部夹泥质，但含量不均匀，有互层现象。该层分布较稳定，层底深度33.93～45.24m，层底标高870.74～893.49m，层厚31.53～42.04m。

图1 PD868S平硐设计剖面图和平面图

第③层（Arsh）：强风化角闪斜长片麻岩，夹有黑云斜长片麻岩透镜体，灰色，强风化，结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎。该层在ZK4号孔缺失，层底深度41.43～49.89m，层底标高861.84～882.42m，层厚4.63～11.07m。

第③1层（Arsh）：强风化混合花岗岩，灰白色，结构大部分被破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎。基体与脉体己无法分辨，岩性上与岩浆成因的花岗岩类极为相似，混合花岗岩向四周渐变为其他类型的混合岩，没有明显的侵入接触关系；岩性不均匀，结构变化较大。该层分布不稳定，仅在ZK1被揭露，层底深度41.95m，层底标高867.74m，层厚3.0m。

第④层（Arsh）：中等风化的角闪斜长片麻岩，夹有黑云斜长片麻岩透镜体，灰色，中等风化，结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩体被切割成块状。该层分布不太稳定，在ZK1、ZK2、ZK4号孔揭露，在ZK3、ZK5号孔缺失，层底深度38.72～50.75m，层底标高858.94～884.38 m，层厚1.52～3.24m。

第⑤层（Arsh）：角闪斜长片麻岩：灰白色，片麻状构造，粒状变晶结构，是太古界太华群石板沟组的主要岩石类型，次为半自型粒状变晶结构或变余碎屑、交代残余结构。岩石含斜长石30%～70%，含石英一般小于15%，普通角闪石在15%～40%之间。原岩为细碧—玄武岩及凝灰质火山岩。夹有黑云斜长片麻岩透镜体，微风化／未风化，基本无吸水反应，结合好，结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙。

黑云斜长片麻岩：灰—灰白色，灰—灰绿色，鳞片粒状变晶结构，片麻状构造。主要矿物为斜长石、石英、黑云母。次要矿物为角闪石、微斜长石、白云母等。斜长石含量30%～70%，粒度0.5～1mm，一般呈不规则粒状，多具绢云母化、黝帘石化。石英含量5%～40%，粒度0.1～1mm，呈不规则粒状。黑云母含量5%～30%，鳞片大小一般为0.1×0.2～0.5×1.5mm。

该层揭露层底深度58.41～74.26m，揭露层底标高851.28～853.16m，揭露层厚7.66～37.93m。

场地地下水类型为基岩裂隙水，勘察期间地下水位埋深50.59～68.32m（标高859.10m），水位年变幅1.5m左右。平硐标高868m，地下水位在平硐之下，一般来讲可不考虑地下水对建筑材料的影响，但勘察时发现地下水位之上的岩土体较湿，岩体裂隙有充水现象。

岩土体的物理力学性质指标如表1所示。

表1 岩土体的物理力学性质指标

3 平硐开挖稳定性分析

影响平硐岩体稳定性的因素主要有2种：一是岩体应力，二是裂隙水。

岩体天然应力场分为2个主要组成部分，即岩体的自重应力场和构造应力场，叠加起来组成了天然应力场的主要部分。在岩体内开挖平硐，必然破坏原来岩体内的相对应力平衡状态，引起岩体应力状态的重分布，使岩体产生变形，岩体的强度和变形特性是否适应于重分布以后的应力状态［1］，将直接影响平硐的安全。

地下水，尤其是裂隙水，作为岩体赋存环境因素之一，影响着岩体的变形和破坏，影响着平硐硐室的稳定性。平硐自西向东穿越的地层为：第②层碎石土，第③1层强风化的混合花岗岩，第③层强风化的片麻岩，第④层中等风化的片麻岩及第⑤层未风化的片麻岩。根据勘察，第②层碎石土底部很湿，含水量较大，而第③层、第③1层和第④层岩石的裂隙中均存在不同程度的充水现象，第⑤层大部分在地下水位之下，因此说地下水的存在正在逐步改变岩土体的应力状态，加重岩体的变形，降低岩土体的抗剪强度。

4 硐室稳定性验算

为了对平硐开挖的稳定性进行对比分析，本文分别采用上覆岩层最小厚度计算法和有限元法对平硐开挖的稳定性进行验算。

4.1 天然开挖时上覆岩层最小厚度估算

假设硐室围岩稳定，岩体的天然应力为竖向应力σv＝ρgh，水平应力σH＝λσv，如图2所示，当开挖硐室的内径为a，外径为b的厚壁简内壁上作用有均匀内水压力pa。根据有压硐室的弹性厚壁筒理论，上覆岩层最小厚度为［2］：

图2 弹性厚壁简理论模型

式中：hcr——上覆岩层最小厚度，实际工程中还应考虑安全系数k，k＝1.3，即上覆岩层最小厚度hmin＝khcr；

Ρ——土体的天然密度；

λ——天然应力比值系数。

将各孔试验数据结合地质剖面图（图1）代入式（1），考虑安全系数，估算其上覆土的最小厚度，见表2。

表2 考虑安全系数时平硐上覆土的最小厚度计算值

由表2可知：考虑安全系数时，剖面2至剖面5中，平硐上覆土层的最小厚度计算值小于实际值。但在剖面1中，计算值小于实际值，也即是说在剖面1这个位置平硐会遭到破坏。

4.2 PLAXIS软件有限元分析

4.2.1 PLAXIS软件简介与分析原理

PLAXIS程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定分析，PLAXIS程序能够计算2类工程问题：即平面应变问题和轴对称问题［3］。在使用过程中发现PLAXIS程序功能比较强大，能模拟比较多的实际工程，同时用户界面友好，使用也比较方便；能自动生成有限元网格，并通过重要部位网格的细分到达比较好的精度；在后处理方面，该程序能在计算过程中动态显示提示信息［4］。

用PLAXIS软件对硐室位移进行计算，用该软件计算的原理是：如果位移很小，说明平硐不会受到破坏；如果位移很大，说明平硐很可能遭受破坏；如果生不成位移云图，则说明平硐一定会受到破坏。

4.2.2 网格划分与分析结果

利用PLAXIS程序进行硐室稳定性分析，需要建立有限元模型利用PLAXIS程序进行二维分析（平面应变或者轴对称情况），用户可以选择节点或节点三角型单元，本文选择的是节点单元。PLAXIS程序在进行网格划分的时候，提供了自动划分并可以局部加密（可以在几何点附近加密也可以在局部几何区域上加密）的功能。

输入参数后剖面1生成的位移图见图3。