FDEM numerical modeling of failure mechanisms of anisotropic rock masses around deep tunnels
1. 主要摘要
本文通过结合有限离散元法（FDEM），研究了各向异性岩体在深埋隧道中的破坏机制和模式。针对未支护隧道，各向异性岩体的破坏模式包括复合破坏、V形切口破坏和层面剥落。该研究表明：复合破坏为层状岩体的基础破坏模式，V形切口破坏在层间滑移裂缝缺失时发生，层面剥落则在剪切裂缝受阻时出现。分析了岩体强度、应力水平和层厚等因素对破坏模式的影响，为深埋隧道设计和支护提供了理论支持。
2. 引言
对于深埋隧道中的各向异性岩体，层理面的存在使得岩体破坏过程更为复杂。相比于各向同性岩体，各向异性岩体更易沿层面滑移。以往研究多采用理论分析和数值模拟，但现有方法难以全面描述裂缝形成和发展。本文采用FDEM，模拟了各向异性岩体的破坏机制，揭示了不同岩体特性和开挖条件下的破坏模式。
3. 主要内容
1. 数值方法和模型
1.1 FDEM方法概述
FDEM结合了有限元法和离散元法，适合描述从连续到非连续的破坏过程。本文基于FDEM的“扩散法”，在各向异性岩体中捕捉层理面滑移裂缝的扩展，同时模拟岩体的整体变形。
1.2 数值模型设计
以一个水平层状岩体的圆形隧道为研究对象，模型包含三大区域：隧道区、网格细化区和远场区。层理面在隧道区显式表征，而远场区采用隐式表征以提高计算效率。
1.3 参数设定与校准
通过单轴压缩试验校准了岩体的各项参数，包括层面内外的黏结强度、内摩擦角及弹性模量等。校准后的模型验证了不同倾角层理岩体的破坏模式与实验结果的吻合性。
2. 水平层状岩体的破坏机制
2.1 复合破坏模式
在圆形隧道中，随着支护效果的逐渐减弱，层理面平行的剪切裂缝（F1）和垂直层理的张拉裂缝（F2）交替出现，形成板状碎块。板状碎块在隧道中心线处发生旋转，使隧道逐渐呈椭圆形变形。
2.2 V形切口破坏模式
在缺少层理面滑移裂缝（F1）的条件下，张拉裂缝（F2）与层面成斜交角度，形成V形切口破坏。这种模式中，碎块在张拉作用下被分离。
2.3 层面剥落模式
在剪切裂缝F3受阻于层理面时，层面剥落破坏发生。随着裂缝扩展被层面阻挡，碎块沿层理面脱落。
3. 岩体特性、地质应力及开挖条件的影响
3.1 岩体特性对破坏模式的影响
黏聚力、内摩擦角和拉伸强度等因素对破坏模式有显著影响。随着这些参数增加，破坏模式从复合破坏逐渐过渡为V形切口破坏，甚至层面剥落。
3.2 地质应力和层理厚度的影响
当地应力的横向压力系数增加或层厚增大时，破坏模式由复合破坏向V形切口或层面剥落演变。45°层理倾角下易发生层面剥落。
3.3 开挖条件对破坏模式的影响
隧道断面的大小和形状显著影响破坏模式。例如，方形隧道的板状岩层易发生浅层弯曲；分步开挖时板状碎块旋转运动显著，易引起不对称变形。
4. 主要结论
1. 各向异性岩体的破坏模式可分为三类
各向异性岩体在不同条件下表现为复合破坏、V形切口破坏和层面剥落三种模式。复合破坏是最基本的模式，而V形切口破坏和层面剥落受岩体参数、地质应力和隧道断面大小等因素影响。
2. 参数和应力条件对破坏模式的影响显著
岩体的黏聚力、摩擦角、拉伸强度、应力水平和层厚显著影响破坏模式。参数增加时，破坏模式依次从复合破坏向V形切口破坏和层面剥落转变。
3. 隧道断面形状和开挖序列对破坏行为的影响显著
方形隧道易引起层状岩层浅层弯曲，分步开挖则易导致板状碎块旋转运动，从而引发不对称变形。
5. 主要结果图
