5.5.2.1　计算模型

与本书5.4节薄夹层的滑移失稳相比，厚夹层界面滑移失稳的分析方法和失稳条件完全相同，因此不再重复，后续计算只给出界面处夹层和盐岩发生强度破坏时，各个关键因素（如夹层厚度、数量、位置等）的影响规律。

数值计算通常认为，模型边界可取5倍以上孔径，在该范围以外将不受开挖的影响。如图5-32所示，取某盐矿地质条件为例，设定计算区域为立方体，模型整体高度为1 000 m，底部尺寸为500 m×500 m，模型上表面距离地表-500 m；盐岩层厚度为90 m，距地表-945～-1 035 m；盖层厚度为445 m，盐岩下底层厚度为465 m；位于盐岩层中的水平溶腔断面设为由两个半椭圆组成，如图5-33所示，溶腔断面高为50 m，最宽处为50 m，顶盐和底盐厚度均为20 m，且在溶腔上方10 m处，假定存在一水平走向的硬石膏夹层，其厚度为1 m。

图5-32　计算模型示意图

模型的坐标原点选在溶腔中心对应的模型上表面与模型上表面交界处，模型下底面固定，即x=0，y=0，z=0；左、右侧面侧向零位移约束，即x=0；前、后面施加前后零位移约束，即y=0；模型上表面施加上覆岩层的重量，根据相关地质资料[98]，取上覆岩层平均密度为2 500 kg/m3，则在模型上表面施加的等效载荷为12.5 MPa，地应力场采用三向等压自重应力场。采用FLAC3D软件建立其三维计算模型，溶腔及夹层周边模型，如图5-34所示。

图5-33　溶腔及夹层模型示意图

图5-34　溶腔及夹层网格图

5.5.2.2　计算参数的选取

盖层、夹层及盐下层系均选取FLAC3D通用的Mohr-Coulomb材料模型，其计算参数如表5-6所示。本次计算中，采用国际惯用的改进的WIPP模型作为盐岩层的蠕变模型，改进的WIPP模型实际上是WIPP蠕变模型与DP准则的结合，能较好地反映盐岩在工程实际中的蠕变变形。参考文献[99]，改进的WIPP模型的盐岩计算参数如表5-7所示。

表5-6　各岩层材料力学特性参数[98]

表5-7　盐岩蠕变特性计算参数[100]

5.5.2.3　计算结果分析(www.daowen.com)

本节采用式（5-18）作为破坏准则进行强度分析。根据文献[101，102]的试验结果，对式（5-18）进行拟合，所得的拟合参数如表5-8所示。为了直观地判断材料是否发生破坏，定义安全系数SF为

式中J 2——第二应力偏量不变量；

——非线性三剪能量屈服准则计算值；

——数值计算值。

由此，当SF＞1时，材料安全；当SF＜1时，材料破坏。

表5-8　盐岩和石膏非线性三剪能量屈服准则拟合参数

如图5-35所示，取夹层和盐岩界面上、下两层单元进行分析。利用FLAC3D自带的FISH语言进行编程，分别计算两层单元的，并代入式（5-12）进行计算。图5-36和图5-37分别给出了盐岩单元和石膏单元的安全系数SF计算结果。

图5-35　夹层界面盐岩和石膏单元示意图

从图5-36可以看出，当盐岩单元在溶腔正上方（x=0）处时，安全系数SF=0.25＜1，表明盐岩已经出现损伤，且安全系数最低，此处最先发生破坏，并且破坏程度最高；随着x的增大，安全系数逐渐单调增加，在x=45 m处，安全系数SF=1.06＞1，此时盐岩弹性应力可以维持，不再破坏。

从图5-37可以看出，由于石膏和盐岩的力学特性的差异，二者的破坏范围截然不同。虽然石膏单元的安全系数SF的变化趋势与盐岩类似，并且最小值仍然出现在x=0处，但是因为石膏的强度远大于盐岩的强度，因此石膏单元在界面的SF均大于1，没有产生强度破坏。

图5-36　夹层界面上盐岩单元安全系数SF

图5-37　夹层界面上石膏单元安全系数SF