【摘要】：無論是我國全面建設(shè)小康社會(huì)新時(shí)期還是“一帶一路”經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)需要,都促使交通、市政、能源、國防等領(lǐng)域的水利與巖土地下工程建設(shè)進(jìn)入新的階段。地下廠房安全穩(wěn)定問題關(guān)系到國內(nèi)外眾多大型工程項(xiàng)目的安全運(yùn)行,而巖錨梁作為地下廠房重要結(jié)構(gòu),因直接承受吊車荷載、巖壁局部變形較大、受力特性復(fù)雜等特點(diǎn),關(guān)系到地下廠房開挖及運(yùn)行期的整體安全穩(wěn)定性。目前針對(duì)巖錨梁結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究整體偏于經(jīng)驗(yàn)參考和基于宏觀分析計(jì)算方法,對(duì)于巖壁圍巖細(xì)觀損傷過程、錨桿支護(hù)作用細(xì)觀機(jī)理以及薄弱結(jié)構(gòu)面細(xì)觀受力特性等研究還不充分,有必要引入新的模型與算法、從新的視角對(duì)這些問題進(jìn)行研究和探討,同時(shí)可為實(shí)際工程提供理論支持。本文圍繞地下廠房巖錨梁巖壁圍巖與錨桿支護(hù)宏細(xì)觀特性的關(guān)鍵問題,首先基于有限單元法、從宏觀力學(xué)角度研究了巖錨梁在不同爆破參數(shù)下、不同開挖工況下以及不同支護(hù)條件下的圍巖變形與損傷特征、吊車梁運(yùn)行安全系數(shù)以及錨桿受力分布規(guī)律;為進(jìn)一步研究巖錨梁結(jié)構(gòu)在地下廠房開挖和運(yùn)行期的細(xì)觀受力特性,通過引入基于顆粒流PFC程序的離散元分析法、PFC-FLAC離散-連續(xù)耦合分析法,以及本文提出的改進(jìn)顆粒流聲發(fā)射片模擬方法,揭示了巖壁圍巖細(xì)觀損傷累積與損傷深度判別、全長粘結(jié)錨桿支護(hù)主動(dòng)變形圍巖細(xì)觀作用機(jī)理、薄弱接觸面局部細(xì)觀破壞特征等宏細(xì)觀力學(xué)特性,主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)進(jìn)行了地下廠房巖錨梁巖壁爆破開挖精細(xì)化控制研究。在實(shí)際工程要求巖錨梁巖壁精細(xì)化開挖的基礎(chǔ)之上,提出了地下廠房巖錨梁三維有限元模型建立與分析方法,推導(dǎo)了巖壁爆破開挖荷載計(jì)算及有限元迭代計(jì)算方法,研究了不同爆破參數(shù)下爆破開挖荷載對(duì)吊車梁巖壁圍巖受力與破壞特性的影響,結(jié)果表明巖錨梁局部巖壁圍巖對(duì)爆破參數(shù)取值十分敏感,應(yīng)注意避免爆破對(duì)巖壁附近圍巖的擾動(dòng)及破壞;建立了合理的巖錨梁超挖模型并分析了巖錨梁安全性評(píng)價(jià)指標(biāo),結(jié)果顯示超挖工況下地下廠房運(yùn)行期巖錨梁巖壁圍巖破壞范圍增大、變形量增加,承載能力降低、接觸面安全系數(shù)減小,不利于形成合理受力變形特征及保證穩(wěn)定安全運(yùn)行,因此為避免巖錨梁巖壁不良開挖現(xiàn)象、保證巖臺(tái)按設(shè)計(jì)成型,必須對(duì)巖壁爆破開挖設(shè)計(jì)進(jìn)行精細(xì)化控制。(2)研究了地下廠房巖錨梁涂瀝青錨桿支護(hù)特性。為了改善地下廠房巖錨梁巖壁淺層圍巖應(yīng)力集中現(xiàn)象,增大巖錨梁及其巖壁圍巖的整體安全性,地下廠房施工過程中將吊車梁附近圍巖1.5～2m范圍內(nèi)的上排斜拉錨桿涂裹瀝青,錨桿與圍巖局部脫離使得應(yīng)力傳遞至圍巖深部。針對(duì)地下廠房巖錨梁上排受拉錨桿涂瀝青工藝,提出了一種在地下廠房巖錨梁有限元模型中生成瀝青單元的方法:根據(jù)巖錨梁體型與吊車梁錨桿走向劃分局部單元網(wǎng)格,建立地下廠房洞室群有限元模型;在上排斜拉涂瀝青錨桿穿過的單元內(nèi)生成新的節(jié)點(diǎn),根據(jù)八節(jié)點(diǎn)六面體單元點(diǎn)-線-面基本關(guān)系,重新生成新的有限元模型;采用隱式桿單元法模擬涂瀝青錨桿,隱式柱單元法模擬普通錨桿,將采用涂瀝青錨桿與不采用涂瀝青錨桿的孟底溝水電站地下廠房巖錨梁有限元模型進(jìn)行對(duì)比分析與計(jì)算,有效模擬了錨桿涂瀝青段巖壁圍巖破壞區(qū)減少、應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱、圍巖整體承載能力增強(qiáng)以及錨桿應(yīng)力沿桿長趨于均勻化分布的受力特性。(3)提出了巖石與錨桿材料的離散顆粒模型數(shù)值仿真方法,探討了基于離散元顆粒流PFC程序的介質(zhì)變形、受力、損傷判別及破壞過程的細(xì)觀力學(xué)描述手段,包括顆粒間接觸力鏈與介質(zhì)宏觀受力特性的關(guān)系、顆粒模型微裂紋發(fā)育記錄和聲發(fā)射特性的關(guān)系、顆粒模型墻體伺服與介質(zhì)宏觀應(yīng)力的關(guān)系等,并應(yīng)用于巖石無側(cè)限壓縮試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、不同圍壓下三軸壓縮試驗(yàn)以及粘結(jié)錨桿拉拔試驗(yàn)等的離散顆粒模型數(shù)值試驗(yàn)研究,分析了巖石破壞過程中微裂紋擴(kuò)展形態(tài)和聲發(fā)射特性以及拉拔錨桿細(xì)觀受力特征,從細(xì)觀力學(xué)角度探索了有效的巖石和錨桿材料顆粒離散元模擬方法并得以成功運(yùn)用。(4)基于PFC-FLAC離散-連續(xù)耦合計(jì)算方法,研究了圍巖主動(dòng)變形條件下全長粘結(jié)錨桿細(xì)觀支護(hù)特性。針對(duì)單獨(dú)采用離散元顆粒流PFC程序無法適用于地下廠房洞室開挖與支護(hù)工程尺度的問題,通過引入PFC-FLAC離散-連續(xù)耦合計(jì)算方法將求解區(qū)域劃分為兩個(gè)子區(qū)域,在FLAC程序中建立有限差分單元連續(xù)模型用于維持邊界地應(yīng)力值,同時(shí)在PFC程序中建立相應(yīng)尺寸的地下洞室開挖顆粒流模型;經(jīng)基于FISH語言二次開發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì),兩程序中的連續(xù)模型和離散顆粒模型可以進(jìn)行有效數(shù)據(jù)交換和連續(xù)耦合計(jì)算,FLAC耦合邊界與PFC墻體保持了良好的變形一致性和應(yīng)力等價(jià)性。將其用于開挖面圍巖主動(dòng)變形情況下的全長粘結(jié)錨桿支護(hù)機(jī)理研究,從細(xì)觀力學(xué)角度分析了開挖邊界圍巖維持自平衡的壓力環(huán)機(jī)制、錨桿支護(hù)圍巖“中性點(diǎn)”特征和圍巖-錨桿聯(lián)合承載細(xì)觀作用機(jī)理。結(jié)果表明錨桿支護(hù)使得開挖邊界圍巖壓力環(huán)厚度降低,但單根壓接觸力鏈量值升高并交織在錨桿周圍,錨桿顆粒間平行粘結(jié)力遠(yuǎn)大于圍巖顆粒平行粘結(jié)力,從細(xì)觀角度良好呈現(xiàn)了錨桿-圍巖聯(lián)合承載機(jī)制;通過顆粒變形特征可知錨桿支護(hù)下靠近開挖邊界的顆粒向臨空面的變形大于錨桿變形,遠(yuǎn)離開挖邊界的深部圍巖顆粒向臨空面的變形小于錨桿變形,兩者變形相等的地方錨桿顆粒間接觸力最大,直觀體現(xiàn)了錨桿在地下洞室圍巖支護(hù)過程中的“中性點(diǎn)”特征;開挖前后臨空面附近圍巖的顆�？紫堵氏陆蛋俜直容^無錨桿支護(hù)工況顯著降低,體現(xiàn)了錨桿為改善開挖引起的圍巖松動(dòng)效應(yīng)所發(fā)揮的重要作用。(5)基于改進(jìn)的PFC顆粒流聲發(fā)射片模擬方法,研究了地下廠房巖錨梁局部細(xì)觀受力與破壞特性。針對(duì)基于經(jīng)典PFC-FLAC離散-連續(xù)耦合計(jì)算方法的PFC顆粒流聲發(fā)射片技術(shù)在地下廠房洞室大變形或應(yīng)力集中部位不能進(jìn)行穩(wěn)定耦合計(jì)算的問題,提出了一種基于FLAC模型耦合區(qū)域節(jié)點(diǎn)速率雙線性插值的改進(jìn)PFC顆粒流聲發(fā)射片模擬方法:在FLAC程序中進(jìn)行大型地下洞室分期開挖與支護(hù)過程模擬,同時(shí)建立與洞室重點(diǎn)關(guān)注部位單元節(jié)點(diǎn)享有共同坐標(biāo)的PFC顆粒流聲發(fā)射片模型,顆粒速度依據(jù)雙線性插值隸屬于FLAC耦合區(qū)域節(jié)點(diǎn)速度,能夠容許耦合區(qū)域的任意變形并滿足PFC顆粒、PFC墻體和FLAC耦合邊界三者之間同步運(yùn)動(dòng)。經(jīng)某地下洞室分期開挖算例驗(yàn)證,可知淺層圍巖內(nèi)顆粒接觸力鏈紊亂且出現(xiàn)空洞,伴隨大量微裂紋發(fā)育并逐漸匯合成兩道明顯的“X,”型宏觀裂隙帶,深部圍巖內(nèi)只發(fā)育少量微裂紋;隨著開挖的進(jìn)行剪裂紋占微裂紋總數(shù)百分比越來越大,促使圍巖呈現(xiàn)出延-塑性破壞特征;錨桿和襯砌支護(hù)可顯著降低微裂紋發(fā)育即圍巖損傷程度。說明該方法良好適用于地下洞室局部細(xì)觀力學(xué)特性分析,并將其應(yīng)用于孟底溝水電站地下廠房巖錨梁巖壁圍巖局部受力、變形與破壞特性研究中,提出了基于聲發(fā)射片微裂紋發(fā)育特征的圍巖破壞區(qū)深度判別方法,結(jié)果與有限元分析結(jié)果相一致并彌補(bǔ)了后者圍巖破壞顯示方法單一、尤其難以描述圍巖損傷程度變化的缺點(diǎn),表明上述方法在描述開挖面圍巖損傷問題時(shí)具有明顯優(yōu)越性;同時(shí)用于研究吊車梁巖壁圍巖參數(shù)劣化和吊車超載情況下吊車梁與圍巖接觸面問題,從其變形趨勢(shì)、細(xì)觀接觸力鏈形態(tài)、微裂紋發(fā)育類別與宏觀裂隙特征等多個(gè)宏-細(xì)觀角度再現(xiàn)了豎直與傾斜接觸面將分別產(chǎn)生拉裂破壞與剪切破壞的力學(xué)響應(yīng)過程。
【圖文】：

圖２－２廠房開挖形圖逡逑除三峽水利樞紐工程外，吊車梁巖臺(tái)開挖精細(xì)化控制還在兩河口［６６】、溪洛渡［５Ｇ〗、逡逑向家壩［４２］、錦屏［６２］、糯扎渡［３１］等多個(gè)大型水利工程中得到運(yùn)用，并取得了良好的開挖逡逑效果，超挖厚度、平整度和半孔率等指標(biāo)均嚴(yán)格滿足工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。綜上可以看出實(shí)逡逑際水利工程建設(shè)對(duì)地下廠房巖錨梁巖壁精細(xì)化爆破開挖以及巖壁開挖成型質(zhì)量有很逡逑

（１）地下洞室ＣＡＤ平面網(wǎng)格邐（２）地下洞室三維有限元網(wǎng)格逡逑圖２－３六面體有限元模型平面網(wǎng)格與三維網(wǎng)格逡逑利用本課題組基于ＯｐｅｎＧＬ開發(fā)的地下工程三維有限元模型前處理程序逡逑ＦｅａＧｍｐｈｉｃ將地下廠房平面網(wǎng)格按照廠房計(jì)算縱向長度要求平推成三維網(wǎng)格（圖２－３）；逡逑然后將模型頂部向上平推數(shù)層，根據(jù)工程所在范圍的地面等高線數(shù)據(jù)插值計(jì)算并變動(dòng)逡逑模型頂部高程，使其形成隨真實(shí)地面形態(tài)變化的起伏地面線；最后按照設(shè)計(jì)與施工參逡逑數(shù)指定相應(yīng)單元的材料編號(hào)及開挖分期號(hào)等信息，地下廠房洞室群整體有限元模型建逡逑立如下（圖２－４）。逡逑＿逡逑圖２－４具有起伏地面線的地下廠房洞室群三維有限元模型逡逑地下廠房洞室群中引水管、母線洞、尾水管、交通洞、調(diào)壓室等結(jié)構(gòu)，可通過改逡逑變局部節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的辦法來獲得真實(shí)的洞室形狀。對(duì)于更加復(fù)雜的洞室群，還可以采用逡逑復(fù)制、鏡像、拼裝網(wǎng)格等方式并已在實(shí)際建模工作中得到實(shí)現(xiàn)，綜上可以快速、準(zhǔn)確逡逑地完成復(fù)雜地下洞室群有限元模型建立。下圖為依據(jù)上述方法所建立的孟底溝水電站逡逑地下廠房巖錨梁有限元模型（圖２－５）。逡逑２１逡逑
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TV731.6;TV554

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2615618