發(fā)布時間：2019-10-14 05:21

【摘要】：針對地下洞室開挖擾動分析中常忽略應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)以及應(yīng)力擾動無法量化的現(xiàn)狀,以大崗山水電站地下廠房為研究實例,根據(jù)主應(yīng)力方向與洞室橫斷面及洞軸線之間的幾何關(guān)系,定義了描述應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)的特征角。研究表明,洞室開挖引起了頂拱和邊墻不同程度的應(yīng)力釋放和主方向旋轉(zhuǎn),圍巖主應(yīng)力均在開挖當(dāng)期卸荷強烈,主應(yīng)力方向在開挖當(dāng)期和后繼一個開挖期中旋轉(zhuǎn)強烈,且頂拱和邊墻部位主應(yīng)力方向調(diào)整具有一定的共性,表現(xiàn)為最小主應(yīng)力方向最終近似垂直于洞室開挖面,而最大主應(yīng)力與中主應(yīng)力方向則近似在平行于開挖面的平面內(nèi)調(diào)整。在此基礎(chǔ)上,考慮應(yīng)力主軸旋轉(zhuǎn)影響,定義應(yīng)力擾動指標(biāo)SDI作為描述洞室圍巖應(yīng)力場擾動程度的力學(xué)表征量,研究了大崗山水電站地下廠房圍巖應(yīng)力場擾動的時間演化過程和空間分布特征,并將數(shù)值模擬得到的強應(yīng)力擾動區(qū)與現(xiàn)場測試的開挖損傷區(qū)進行了對比分析,相關(guān)認識和結(jié)論具有一定理論和工程意義。
【圖文】：

ǖ牡匭斡氳刂侍?件下，大跨度、高邊墻的大型地下洞室群的穩(wěn)定性成為工程設(shè)計、施工與安全運營中的關(guān)鍵技術(shù)難題。鑒于此，本文擬將大崗山地下廠房的開挖施工作為洞室圍巖應(yīng)力擾動的研究實例，為簡化研究，，建立的計算模型與實際工程并不完全一致。計算模型取廠房軸線的垂直方向為X軸，方向為SE35°，主廠房機組中心線為0點，即廠（縱）0＋0.000；取廠房軸線方向為Y軸，方向為NE55°，0號剖面端線為0點，即廠（橫）0＋0.000；豎直向上為Z軸。計算區(qū)域[20]X向：800～400m；Y向：700～300m；Z向：500m高程到地表面。圖1為地下洞室群三維模型，取洞室軸線方向Y50.9m為監(jiān)測剖面，并在主廠房一側(cè)取監(jiān)測點1～5。圖1地下洞室群三維模型及監(jiān)測剖面示意圖Fig.13Dmodelofundergroundcavernsandschematicsketchofmonitoringsection計算模型共包含1446850個單元和244641個節(jié)點。計算模型采用位移邊界條件，模型上表面為自由面，其余各邊界面均固定其平面內(nèi)所有節(jié)點的法向速度。初始地應(yīng)力場設(shè)置：鉛直方向（Z向）按自重應(yīng)力場施加，垂直軸線（順?biāo)鞣较颍┓较颍╔向）和廠房軸線方向（Y向）按自重應(yīng)力場的監(jiān)測剖面(Y=50.9m)監(jiān)測點1監(jiān)測點2監(jiān)測點3監(jiān)測點4監(jiān)測點5ZXY

的Ｐ橢惺紫仁┘幼災(zāi)賾αΓ囡詿嘶猊∩隙ㄒ?Fish函數(shù)施加X、Y向應(yīng)力，經(jīng)計算平衡后得到數(shù)值模型初始地應(yīng)力常圍巖采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，相關(guān)力學(xué)參數(shù)取值參考文獻[21]，見表1。表1材料力學(xué)參數(shù)[21]Table1Mechanicalparametersofmaterials[21]材料彈性模量E/GPa泊松比凝聚力c/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗拉強度Rt/MPa重度/(kN/m3)II類圍巖21.40.251.6551.3626.5II類圍巖9.40.301.1545.0426.2II類圍巖2.80.350.6035.0225.8地下廠房系統(tǒng)采用分層分步開挖，實際工程中的開挖方案如圖2所示（圖中數(shù)字代表各洞室開挖期數(shù)）。圖2地下廠房洞室群分層開挖示意圖Fig.2Sketchoflayerexcavationofundergroundpowerhouse3廠房圍巖應(yīng)力場擾動規(guī)律洞室圍巖內(nèi)任意一點的應(yīng)力狀態(tài)都對應(yīng)著一個二階張量(,1,2,3)ijijeeij，通常用矩陣表示如下：111213212223313233xxyxzijyxyyzzxzyz（1）由于剪應(yīng)力滿足xyyx，應(yīng)力矩陣只需用6個獨立參數(shù)進行描述，通常選用3個主應(yīng)力(1,2,3)ii及其主方向，根據(jù)彈性力學(xué)知識，主應(yīng)力i分別對應(yīng)主方向in，且3個主方向兩兩正交，故獨立的方向余弦只有兩個，它們足以描述主應(yīng)力i的空間方位。在洞室開挖過程中，主應(yīng)力與洞室臨空面的夾角是開挖穩(wěn)定分析的重要因素，在后文中提出兩個特征角代替方向余弦，這樣做物理意義明確，且在描述應(yīng)力主軸偏轉(zhuǎn)方面更為直觀、方便。3.1主應(yīng)力大小的變化規(guī)律根據(jù)數(shù)值計算的結(jié)果，對監(jiān)測點主應(yīng)力在分期開挖過程中的變化規(guī)律進行了分析。以主廠房頂拱（監(jiān)測點1）和邊墻（監(jiān)測點3）為例，其主應(yīng)力變化曲線如圖3、4所示。圖3主廠房頂拱在分期開挖過程中的應(yīng)力變化圖Fig.3V
【作者單位】： 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室;天津大學(xué)建筑工程學(xué)院;
【基金】：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(No.2015CB057905) NSFC-云南聯(lián)合基金重點支持項目(No.U1402231)) 國家自然科學(xué)基金項目(No.51279202,No.51409263)~~
【分類號】：TV223;TV554

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本文編號：2549106