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        隧洞圍巖錨桿支護(hù)模擬方法對(duì)比分析

        2016-10-18 00:05:58何周
        科技視界 2016年22期
        關(guān)鍵詞:錨桿支護(hù)有限元法隧洞

        何周

        【摘 要】對(duì)錨桿支護(hù)模擬的桿單元法和等效法進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,桿單元法和等效法模擬錨桿支護(hù)都是可行的。錨桿支護(hù)效果對(duì)力學(xué)性質(zhì)較差的圍巖更為明顯,且對(duì)錨桿間排距比較敏感,Ⅳ、Ⅴ類圍巖的錨桿間排距不宜大于1.5m。等效法的有限元建模工作量小,缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果對(duì)綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值比較敏感。因此,可先用等效法進(jìn)行支護(hù)方案初選,再用桿單元法進(jìn)行復(fù)核。

        【關(guān)鍵詞】隧洞;圍巖;錨桿支護(hù);有限元法

        0 引言

        在隧洞開挖中采用錨桿支護(hù),能有效提高圍巖的整體穩(wěn)定性[1-2]。錨桿支護(hù)的模擬方法主要有兩種:一是,采用桿單元模擬[3],二是,通過提高巖體力學(xué)參數(shù)的方式等效模擬[4]。本文通過對(duì)某水電站引水隧洞圍巖穩(wěn)定的有限元分析,對(duì)錨桿支護(hù)模擬的桿單元法和等效法進(jìn)行了對(duì)比分析。

        1 錨桿支護(hù)的模擬方法

        1.1 桿單元法

        采用有限元軟件ANSYS中的LINK8單元來模擬錨桿的。LINK8單元是一種三維桿單元,只有兩個(gè)結(jié)點(diǎn),每個(gè)結(jié)點(diǎn)有3個(gè)平移自由度,只能承受單軸拉伸和單軸壓縮,能模擬應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變、膨脹、塑性和蠕變等[5]。

        1.2 等效方法

        對(duì)于系統(tǒng)錨固的地下洞室,錨桿對(duì)巖體的錨固效果可以通過提高巖體力學(xué)參數(shù)的方式來體現(xiàn)[6],加錨后的巖體力學(xué)參數(shù)可按式(1)~(3)確定[7]:

        2 計(jì)算模型與計(jì)算方案

        2.1 有限元模型及材料參數(shù)

        選取某水電站引水隧洞典型洞段進(jìn)行分析。有限元模型范圍為:洞周圍巖范圍取5倍洞寬,沿隧洞軸線方向取45m。巖體采用8結(jié)點(diǎn)等參元剖分,本構(gòu)模型采用D-P理想彈塑性模型,模型外邊界施加法向位移約束。圍巖密度為2.6g/cm3,彈性模量為6GPa,泊松比為0.32,抗剪(斷)強(qiáng)度f′=0.6、c′=0.4MPa。錨桿密度為8g/cm3,彈性模量為200GPa,泊松比為0.3,抗拉強(qiáng)度為300MPa,抗剪強(qiáng)度為170GPa。

        2.2 計(jì)算方案

        錨桿分別采用桿單元法和等效法模擬。計(jì)算方案見表1。

        表1 錨桿支護(hù)模擬方法對(duì)比分析計(jì)算方案

        3 計(jì)算結(jié)果分析

        3.1 圍巖參數(shù)對(duì)錨固效果的影響分析

        通過方案1和方案2進(jìn)行對(duì)比分析。由于方案1圍巖力學(xué)參數(shù)高于方案2,因此,方案1的圍巖變形明顯小于方案2。方案1圍巖最大徑向位移約為6mm(無支護(hù))、5.3mm(加支護(hù),桿單元法)和4.5mm(加支護(hù),等效法),方案2約為100mm(無支護(hù))、80mm(加支護(hù),桿單元法)和60mm(加支護(hù),等效法),方向均指向洞內(nèi)。方案1錨固影響深度約1.5m,方案2錨固影響深度明顯大于方案1,約4.5m。采用桿單元法時(shí),方案2圍巖最大徑向位移減小約20%,采用等效法時(shí),減小約40%。

        3.2 綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)對(duì)錨固效果的影響分析

        通過方案2和方案3進(jìn)行對(duì)比分析。綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取較小值(η=2.0)時(shí),按等效法模擬的錨固效果有較為明顯的減弱,方案2(等效方法,η=4.0)圍巖最大徑向位移約為60mm,比無支護(hù)情況減小約40%;方案3(等效方法,η=2.0)圍巖最大徑向位移約為87mm,比方案2增大約45%,比無支護(hù)情況減小約13%。

        3.3 錨桿間排距對(duì)錨固效果的影響分析

        增大錨桿間排距后,錨固效果明顯減弱。當(dāng)錨桿間距或排距等于3m時(shí),采用桿單元法時(shí),已幾乎體現(xiàn)不出錨固效果;采用等效法時(shí),圍巖最大徑向位移比無支護(hù)時(shí)減小約7%,當(dāng)錨桿間距和排距均等于3m時(shí),也幾乎體現(xiàn)不出錨固效果。《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]規(guī)定錨桿間距不宜大于其長(zhǎng)度的1/2,Ⅳ、Ⅴ類圍巖中的錨桿間距宜為0.5m~1.0m,并不得大于1.5m,本文計(jì)算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定一致。

        3.4 不同模擬方法的圍巖塑性變形分析

        采用桿單元法和等效法模擬錨桿支護(hù)的圍巖塑性區(qū)范圍基本相同,但塑性應(yīng)變量值有差異。方案2圍巖的最大塑性應(yīng)變分別為0.1092(桿單元法)和0.0503(等效法),因此,采用等效法時(shí),塑性應(yīng)變小是圍巖徑向位移較小的主因。另外,綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)越小、錨桿間排距越大,圍巖塑性應(yīng)變?cè)酱?,如方?和方案6的最大塑性應(yīng)變分別為0.0945和0.1054。

        4 結(jié)論

        (1)對(duì)于力學(xué)性質(zhì)較差的圍巖,錨桿支護(hù)的加固效果更為明顯。錨桿支護(hù)效果對(duì)錨桿間排距比較敏感。根據(jù)有關(guān)規(guī)范和本文計(jì)算結(jié)果,錨桿間排距不宜大于其長(zhǎng)度的1/2,Ⅳ、Ⅴ類圍巖的錨桿間排距不宜大于1.5m。

        (2)采用桿單元法和等效法模擬錨桿支護(hù)的圍巖變形量級(jí)一致,塑性區(qū)范圍基本相同,因此,按兩種方法模擬錨桿支護(hù)都可行。等效法不需要在整體有限元模型中添加桿單元,可大大減小建模工作量,缺點(diǎn)是計(jì)算結(jié)果對(duì)綜合經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值比較敏感。因此,可先用等效法進(jìn)行支護(hù)方案初選,再用桿單元法進(jìn)行復(fù)核。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]陶振宇.巖石力學(xué)的理論與實(shí)踐[M].北京:水利出版社,1981.

        [2]沈明榮,陳建峰.巖體力學(xué)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2006.

        [3]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

        [4]秦玉紅.地下洞室圍巖穩(wěn)定分析方法的研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009,(5):24-27.

        [5]劉偉,高維成,于廣濱,等.ANSYS12.0寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

        [6]鄒志暉,汪志林.錨桿在不同巖體中的工作機(jī)理[J].巖土工程學(xué)報(bào),1993,15(6):71-79.

        [7]朱維申,李術(shù)才,陳衛(wèi)忠,等.節(jié)理巖體破壞機(jī)理和錨固效應(yīng)及工程應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

        [8]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.SL279-2002 水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003.

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