一种块体–颗粒–杆件的耦合方法及其在隧道支护模拟中的应用

Abstract

为了模拟隧道开挖过程中边帮的失稳垮塌过程以及锚杆对隧道的支护过程，提出了一种基于罚弹簧的块体–颗粒–杆件的耦合方法.该耦合方法基于连续–非连续的数值模拟方法（CDEM），采用离散颗粒簇表征隧道周边松动圈以内的破碎岩体，采用块体单元表征松动圈以外的完整岩体，采用杆件单元描述锚杆及锚索等杆系类支护结构，采用插值耦合的方式实现杆件单元与离散颗粒及块体单元间力与位移的传递，从而实现高应力环境下隧道开挖失稳过程的模拟及支护效果的评价.颗粒与块体之间采用1根法向线性弹簧及2根切向线性弹簧进行耦合，法向弹簧引入拉伸断裂本构，切向弹簧引入Mohr–Coulomb脆性断裂本构.杆件与颗粒及杆件与块体之间的耦合模式基本一致，包含1根沿着杆件轴向的罚弹簧S_(gn)及1根垂直于杆件轴向的罚弹簧S_(gs),S_(gn)主要用于描述杆件与围岩之间的拉拔效应及推压效应，S_(gs)则主要用于描述杆件与围岩之间的侧向挤压效应.圆形盾构隧道弹性场分析、预应力锚杆加固矩形巷道模拟、全长连接锚杆对岩块的锚固作用分析、以及碎裂岩体中的隧道开挖支护效果分析等案例，证明了本文所述块体–颗粒–杆件耦合算法的准确性及合理性