新疆下坂地电站岩壁吊车梁设计

岩壁吊车梁是用长锚杆将钢筋混凝土梁锚固与岩石上的结构,可减小地下洞室宽度,利于围岩稳定,加快施工进度,节约投资。本文着重分析岩壁吊车梁的计算原则及方法。     

锦屏一级电站地下厂房岩锚梁载荷试验研究

详细介绍了锦屏一级水电站工程地下厂房岩锚梁试验过程、安全监测方法及结果。试验结果表明,岩锚梁锚杆应力、接缝开度、围岩变形及锚索荷载变化主要由围岩二次应力调整引起的,试验荷载引起的增量远远小于各监测物理量,岩锚梁大多数锚杆承受拉应力,C锚杆的应力增量比A、B锚杆的应力增量反应更敏感;锚杆应力增量随着埋深增加迅速减小,岩锚梁荷载试验全过程中各监测物理量变化均小于设计控制标准值。建议在围岩变形较大的条件下,岩锚梁的设计、施工应考虑围岩和岩锚梁共同作用的影响     

地下厂房岩锚梁锚杆涂沥青段有限元模拟研究与应用

基于AutoCAD和OpenGL有限元可视化建模,利用Fortran语言对模型文件中的单元信息进行改写,提出了一种在地下厂房有限元模型中生成沥青单元网格的方法,显著减少了模型单元数与节点数,提高了建模与计算效率。采用隐式杆单元法模拟涂沥青锚杆,隐式柱单元法模拟普通锚杆,推导了其刚度矩阵及有限元迭代计算公式,并应用于地下厂房岩锚梁锚杆涂沥青段的有限元分析中。结果表明,吊车梁附近围岩破坏区减少,围岩深部锚杆应力增大,说明围岩受力特性得以改善,围岩和吊车梁整体安全度增大,符合工程实践经验。所提出的计算和单元再分方法可操作性和实用性大,可为类似工程有限元分析提供参考。     

基于改进颗粒流声发射片的地下厂房洞室围岩局部损伤细观机制研究

通过改进的PFC-FLAC离散−连续耦合计算方法,提出了一种基于FLAC连续模型耦合区域节点速率双线性插值的PFC颗粒流声发射片模拟方法以及基于声发射强度的围岩破坏区深度细观角度判别方法,并将其应用于地下厂房洞室开挖面、岩锚吊车梁与岩壁接触面等局部围岩损伤细观机制与破化特性研究。研究结果表明：浅层围岩接触力链逐渐稀疏,大量微裂纹发育并汇集成宏观裂隙,最终出现浅层破裂区,呈拉裂破坏;随着距离开挖面的增大,围岩从开挖前期受力较大产生破坏、到开挖后期只有少量微裂纹产生,对应了围岩回弹卸荷区深度。在岩壁围岩劣化和吊车梁超载的情况下,吊车梁与岩壁竖直接触面和倾斜接触面分别发育大量拉裂纹和剪裂纹,宏观表现为拉裂破坏与滑移破坏。上述分析结果与三维有限元方法相一致,并弥补了后者围岩破坏显示方法单一、难以描述围岩损伤程度变化的缺点,为研究地下厂房洞室大变形与应力集中部位的宏细观特性与损伤机制提供参考。     

溪洛渡水电站地下厂房岩壁吊车梁春夏两季温控仿真分析的比较

为了保证溪洛渡水电站地下厂房岩锚梁的结构安全,研究进一步采取综合温控措施防裂的有效性和合理性,通过对地下厂房岩壁吊车梁在春季和夏季施工进行三维仿真分析,得到温度场和应力场的分布及其随时间的变化规律并进行分析比较,同时分析了春夏两季裂缝产生的不同原因,为以后的裂缝处理提供了参考依据。     

小湾水电站地下厂房岩锚梁现场试验研究

小湾水电站地下厂房是目前世界上最大的地下厂房之一,采用了岩锚吊车梁结构形式,厂房开挖跨度和高度分别为 28.30 m和79.88 m。由于岩锚梁通过两条宽度为0.5～8.5 m的陡倾断层,其施工期与运行期的稳定性成为关注的问题之一。在厂房洞室群的尾水闸门室中,选择具有相似工程地质条件的区域进行了现场模型试验研究,包括主要监测仪器的布置和加卸载过程设计,并对监测结果进行了分析。模型试验表明岩锚吊车梁承载能力满足设计要求,安全性有保障。     

锚杆–围岩承载结构支护下隧洞稳定性分析

为避免锚杆支护过剩或支护不足以及快速地、准确地评价被锚隧洞围岩稳定性,首先将岩石和锚杆的复合体考虑成材质均匀的加固体,基于弹性理论推导出加固体的物理力学参数表达式,建立了围岩与加固体协调变形力学模型,并对该模型进行弹塑性力学分析,同时提出了围岩稳定性评价方法,最后将该理论与已有理论和数值模拟进行了对比,研究不同锚杆支护强度对围岩稳定系数的影响。结果表明,通过文中理论得到的隧洞塑性圈半径以及洞壁位移与已有理论的计算结果相比分别相差0.8%和2.1%,并且理论计算值与数值模拟的结果能较好地吻合,从而验证了文中理论的合理性;锚杆长度和锚杆间排距对围岩稳定性影响较大,锚杆支护设计遵循长而疏、短而密的原则;当间排距减小或者预紧力增大时,所需要的最佳锚杆长度有所减小。文中理论可为锚杆支护下的隧洞围岩稳定性研究提供相对简洁快速的定量计算方法。     

弹塑性数值流形方法在边坡稳定分析中的应用

针对现有数值流形方法只能进行弹性计算的不足,建立了一个能够反映完整岩块弹塑性变形特征的本构模型,并借助VC++开发了内置该本构模型的弹塑性数值流形程序。利用该程序模拟了含单节理岩样的室内压缩试验,分析得到了其强度和变形特性,计算结果符合实际的物理现象,表明程序是正确有效的。考虑到数值流形方法本身能够有效模拟材料的不连续变形,新增的弹塑性分析功能又可以反映岩石的强度特性,将弹塑性数值流形程序应用于某含有不连续面的岩石边坡的稳定性分析。并结合锚杆单元的使用,对比分析了不同锚固方案的加固效果。程序提供的变形、应力等计算结果表明:预应力锚杆不仅可以防止不连续面发生剪切破坏,增强坡体的稳定性,限制塑性变形的发展;而且可以使不连续软弱层面对岩体变形的消极影响得以减弱,起到提高岩体整体性的作用。     

考虑受压侧岩体反力非线性作用的锚杆抗剪理论

针对锚杆受压侧岩体或砂浆体反力非线性作用及结构面的剪胀效应问题,基于经典梁理论推导锚杆轴力与轴向变形及横向剪切力与横向变形的理论公式,建立了锚杆抗剪力计算公式。通过加锚结构面直剪试验验证理论计算有效性,并分析结构面剪胀系数、围岩强度、锚杆安装角（倾角）对锚杆变形和抗剪力的影响。结果表明：锚杆抗剪理论计算与室内试验结果吻合较好;结构面剪胀系数越大,越能较快调动锚杆抗剪作用,相反锚杆塑性强化特征越不明显,改善加锚结构面的阻滑抗剪作用,主要依靠结构面固有抗剪强度;随着围岩强度降低,锚杆需经一定变形才能发挥较大抗剪作用,而随着围岩强度增大,锚杆将迅速达到屈服状态,并且锚杆由轴向张拉破坏逐渐转为拉剪破坏;锚杆最优安装角随结构面内摩擦角增大而增大,依据实际工程中结构面内摩擦角取值范围,可估算锚杆最优安装角为30°～68°。     

抗浮锚杆应力-应变状态的线弹性理论分析

假定抗浮锚杆各部分贡献的位移与锚杆轴力均呈线弹性关系,运用力学原理分析锚杆轴力与锚侧摩阻力、锚-土变形之间的相互关系,推导出锚杆的摩阻力、轴力及各部分变形与锚杆各参数的相互关系。实例验证结果表明：基于线弹性模型基础上建立的摩阻力、轴力和位移公式能够较好地描述垂向抗浮锚杆在弹性变形阶段的内力和变形形态;获得了抗浮锚杆摩阻力和剪切位移沿锚固长度的分布规律;证实了锚土界面处变形为土层抗浮锚杆变形的主要部分。     

地下隧洞开挖和支护的三维数值分析计算

根据地下工程锚固支护原理,采用隐含锚杆柱单元的三维有限元和混凝土喷锚支护的三维数值计算方法,对复杂的地下泄洪隧洞的开挖和支护进行了分析计算。该方法不仅能够有效地反映锚杆的长度、密度、倾角对洞室开挖的影响,而且能够较好地模拟钢拱架和锚杆的时间施加效应。由于隐含锚杆柱单元和喷层单元是隐含在岩体单元中的,所以锚杆和喷层单元不受岩体单元划分的影响,能够有效地模拟各种支护方案,加快计算速度,合理反映锚固支护所作用的位置和时间影响。通过对构皮滩泄洪洞施工开挖和锚固支护的模拟计算,论证了施工开挖的稳定性和锚杆、喷层、钢拱架的支护作用,提出了洞室结构的加固措施,为工程施工开挖提供了有效的设计依据。     

基于完整锚杆动测技术的围岩质量识别研究

完整锚杆系统是由完整的锚杆杆体、饱满的锚固介质以及围岩组成的有机体系。在描述锚杆低应变动力响应的数学力学模型中,将锚固介质与围岩对锚杆体的作用简化为沿杆长均匀分布的杆侧弹性系数与阻尼系数,以及均匀分布在杆底的刚度系数与阻尼系数,即锚杆系统的动力参数。它们不仅表征了锚杆锚固质量,而且体现出锚杆所处围岩的物理参数。通过建立围岩物理参数与完整锚杆系统动力参数的映射关系,可以对围岩质量进行识别。为此,建立了完整锚杆三维轴对称有限元计算模型,得到不同的围岩物理力学参数所对应的锚杆杆顶速度响应;根据完整锚杆低应变动力响应理论解和遗传算法建立了完整锚杆动力参数的识别方法;通过对不同围岩下完整锚杆的数值模拟结果的动力参数识别,建立了杆侧弹性系数与围岩变形模量之间的关系式,提出了一种基于完整锚杆动测技术的围岩质量识别方法。     

高切坡超前支护锚杆作用机制研究

人工高切坡开挖常常导致边坡失稳破坏,甚至诱发滑坡发生,为此提出了高切坡超前锚杆支护的设计新方法。超前支护锚杆能够约束边坡变形和开挖卸荷带的发展,维持边坡的稳定,对超前支护锚杆的作用机制问题进行了研究,阐述了超前支护锚杆的荷载传递特性,为超前支护锚杆设计提供了理论依据。     

考虑基坑卸载影响的改进弹性抗力法及其应用

弹性抗力法是目前实际工程中基坑支护结构变形内力计算的一种主要方法,该方法借鉴的是计算水平荷载作用下竖直放置弹性桩的地基反力系数法,但没有考虑开挖卸载对土抗力系数和坑内土体的变形影响,因而导致变形计算值通常小于实测值。首先在开挖面施加反向自重应力模拟基坑的开挖卸荷,利用Mindlin解得到坑内土体的卸荷应力分布;在前人的实验研究基础上,推导了不同卸荷比下考虑卸荷影响的土体水平抗力系数;将支护结构的变形分解为开挖瞬时的卸载作用和基坑内外水土压力差作用2个阶段,考虑卸载应力路径对坑内土体水平抗力系数以及开挖瞬时变形的影响,对传统的弹性抗力法进行了改进,最后将该方法应用于典型三维基坑算例。研究发现,改进法得到的支护结构水平变形大于传统方法,而对内力结果影响不大;基坑平面尺寸越大,两者的变形结果差别越明显,改进法更能反映平面尺寸对基坑变形的影响     

双线小净距隧道中岩墙力学特征及加固措施研究

采用二维弹塑性数值计算方法,对Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ级围岩条件下平行布设的双洞隧道中夹岩墙受力、变形特点随隧道间距变化的情况进行了研究。研究结果表明,对于两隧道间距较小的小净距隧道,中夹岩墙的受力、变形极为不利,是设计、施工和监控量测的关键部位。同时研究了不同隧道埋深以及不同岩柱加固措施对小净距隧道中夹岩墙受力、变形特点的影响,为小净距隧道的支护设计、开挖方式、岩墙加固方式选取以及现场监控量测方案制定等提供指导。     

大变形锚杆-围岩耦合模型及其计算方法

在矿山、水利、交通等工程领域中大变形锚杆已经获得了广泛的认可和应用,而相应理论水平落后于工程实践的现状则限制了大变形锚杆支护技术的进一步发展。针对大变形锚杆的力学及变形特性,提出了一种锚杆-围岩耦合作用结构模型,并基于塑性增量理论,从锚杆-围岩相互作用的角度,提出了大变形锚杆加固岩体的求解方法,推导了加锚岩体的平衡方程、位移协调方程和锚杆响应方程。在Visual Basic开发环境中编制有限差分计算程序,利用龙格库塔法求得了大变形锚杆-围岩耦合模型的半解析解,并通过数值模拟验证了理论模型的有效性。基于上述理论模型和计算方法,不仅可以计算得到大变形锚杆轴力和剪应力分布情况,定量分析其支护效应,还可以系统地求得加锚岩体的地层响应曲线及锚杆自身的响应曲线,对于地下工程中大变形锚杆的支护设计有基础性指导意义。     

扭转导波在锚固锚杆中传播的数值模拟

采用有限元数值模拟的方法研究了扭转导波在锚固锚杆中的传播性质。建立了自由锚杆和锚固锚杆的有限元模型,在锚杆顶端激发20～60 kHz扭转导波信号,计算得到导波在自由锚杆和锚杆锚固段的传播速度值与理论值吻合很好,证明了扭转导波数值模拟方法的有效性。数值模拟结果表明：随着激发波频率的增大,扭转导波在自由锚杆和锚杆锚固段中的衰减值均呈线性递增趋势,导波在锚杆锚固段上界面的反射回波逐渐减弱;扭转导波在锚杆锚固段的衰减值较大,无法在锚杆顶端采集到锚杆底端反射回波信号,所以扭转导波不适用于锚杆长度的检测;随着锚固介质弹性模量的增大,同一频率扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射波逐渐增强。通过检测扭转导波在锚杆锚固段上界面的反射回波,可以确定锚固介质弹性模量的大小。     

刚性承压板下深部岩体压缩蠕变参数反演

为获得岩体深部的压缩蠕变力学参数,进行了现场刚性承压板中心孔变形试验。推导出了圆形刚性承压板在均布荷载作用下中心孔深部岩体广义Kelvin模型的瞬时弹性变形。基于黏弹性理论,经过拉普拉斯变换和逆变换,进一步得到了黏弹性变形的计算公式。采用了以瞬时弹性模量、黏弹性模量和黏弹性系数为反演值的迭代优化反演法,并将计算公式程序化。该方法应用于一大型水电站坝区边坡工程,有效获得了坝区软弱岩体深部的压缩蠕变力学参数,克服了以往仅以岩体表面位移进行力学参数反演的缺陷。     

均质边坡离心试验锚杆的应力响应及布设探究

以低碳钢片模拟全长黏结锚杆,开展均质岩质边坡离心模型试验,研究了锚杆的应力响应规律。基于试验模型锚杆应力响应规律启发及实际均质边坡变形破坏演变规律,提出仅针对边坡松弛区进行局部强度折减,数值模拟探讨了均质岩质边坡单锚应力监测的较佳位置。结果表明:均质岩质边坡变形破坏起始于坡脚的剪切破坏,且随着边坡变形破坏的开展,靠近坡脚的全长黏结锚杆会较早产生明显的应力响应,锚杆应力增长速率会不断增加;锚杆应力监测点距离边坡潜在滑动面（塑性变形区）越近,锚杆应力响应时间越早,且量值越大;建议在距离坡脚0.25~0.35 H（H为边坡高度）的坡面处布设监测锚杆,但对于具体监测边坡对象,应具体问题具体分析。研究成果可为均质岩质边坡的锚杆监测工作提供一定的参考借鉴。      

Development of Rock Bolt Elements in Two-Dimensional Discontinuous Deformation Analysis

Computer modeling can be used to explore and gain new insights into the impacts of rock bolt intersecting joints in rock masses, and to estimate the effectiveness of the rock reinforcement system. In order to achieve this goal, we couple a rock bolt element into the two-dimensional discontinuous deformation analysis (DDA^2D) program. The coupling algorithm is based on the analytically-derived interface behavior between a rock bolt and the rock material for grouted rock bolts. The shear force generated by slippage along the interface is assumed to have a linear relationship with respect to the relative slipping distance between the rock bolt and the rock. The linear elastic criterion is applied to determine the material behavior of rock bolts before the axial stress reaches the yield value. The pullout tests are simulated to verify the coupling algorithm and the effects of the proposed rock bolt elements. Parametrical studies are also carried out to analyze the effectiveness of the rock bolts under various end conditions, joint locations and bond stiffness. In addition, the performance of the rock bolt during the interface debonding is analyzed using two types of constitutive laws, i.e., the friction law and the reduction law. The simulation results show that the proposed rock bolt models can predict the shear forces and axial loading along the rock bolts.