【摘要】：針對地下洞室開挖擾動分析中常忽略應力主軸旋轉以及應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)主應力方向與洞室橫斷面及洞軸線之間的幾何關系,定義了描述應力主軸旋轉的特征角。研究表明,洞室開挖引起了頂拱和邊墻不同程度的應力釋放和主方向旋轉,圍巖主應力均在開挖當期卸荷強烈,主應力方向在開挖當期和后繼一個開挖期中旋轉強烈,且頂拱和邊墻部位主應力方向調(diào)整具有一定的共性,表現(xiàn)為最小主應力方向最終近似垂直于洞室開挖面,而最大主應力與中主應力方向則近似在平行于開挖面的平面內(nèi)調(diào)整。在此基礎上,考慮應力主軸旋轉影響,定義應力擾動指標SDI作為描述洞室圍巖應力場擾動程度的力學表征量,研究了大崗山水電站地下廠房圍巖應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,相關認識和結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)定性成為工程設計、施工與安全運營中的關鍵技術難題。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。初始地應力場設置：鉛直方向（Z向）按自重應力場施加，垂直軸線（順水流方向）方向（X向）和廠房軸線方向（Y向）按自重應力場的監(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┘幼災賾αΓ囡詿嘶猊∩隙ㄒ?Fish函數(shù)施加X、Y向應力，經(jīng)計算平衡后得到數(shù)值模型初始地應力常圍巖采用彈塑性Mohr-Coulomb模型，相關力學參數(shù)取值參考文獻[21]，見表1。表1材料力學參數(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廠房圍巖應力場擾動規(guī)律洞室圍巖內(nèi)任意一點的應力狀態(tài)都對應著一個二階張量(,1,2,3)ijijeeij，通常用矩陣表示如下：111213212223313233xxyxzijyxyyzzxzyz（1）由于剪應力滿足xyyx，應力矩陣只需用6個獨立參數(shù)進行描述，通常選用3個主應力(1,2,3)ii及其主方向，根據(jù)彈性力學知識，主應力i分別對應主方向in，且3個主方向兩兩正交，故獨立的方向余弦只有兩個，它們足以描述主應力i的空間方位。在洞室開挖過程中，主應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，且在描述應力主軸偏轉方面更為直觀、方便。3.1主應力大小的變化規(guī)律根據(jù)數(shù)值計算的結果，對監(jiān)測點主應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力變化圖Fig.3V
【作者單位】： 中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室;天津大學建筑工程學院;
【基金】：國家重點基礎研究發(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)) 國家自然科學基金項目(No.51279202,No.51409263)~~
【分類號】：TV223;TV554

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本文編號：2549106