地下洞室预应力锚索合理张拉吨位快速反分析

 预应力锚索在安装后,即有一个初始应力,并且应力随地下洞室后期开挖而变化。如何选择一个合理的初始张拉吨位,使锚索在洞室开挖完毕后达到指定的应力,既保证发挥锚索的作用,也留有一定的安全余地,是一个关键的问题。将该问题转化为求解锚索初始张拉系数的最优化问题。介绍预应力锚索的应力计算理论后,对常规的变尺度法进行改进,利用基于Broyden族的最优自调节变尺度法对尺度矩阵进行修正,使用向前差商来逼近梯度,采用Wolfe准则进行不精确线性搜索来确定最优步长,从而得到带一维不精确搜索的最优自调节差商变尺度法,用来反演预应力锚索的合理的初始张拉系数。同时针对反分析计算量大的特点,采用增量变塑性刚度迭代法,避免因预应力改变而需要重新组成刚度矩阵的问题,从而大大提高反分析的计算速度。最后将其应用于锦屏二级水电站地下厂房的预应力锚索初始合理张位吨位的快速反分析。实例表明,该方法具有收敛速度快,计算量小,数值稳定性好的特点。     

深部地下泵站厂房锚固岩体时效变形特征与加固效应

预应力锚索支护系统能够有效抑制地下洞室围岩塑性区的扩展。基于原位监测和数值计算分析,对高边墙、大跨度地下洞室开挖过程中顶拱和边墙的变形演化过程以及锚索拉力的时效特征进行分析研究,得出地下洞室顶拱、拱腰、边墙位置预应力锚索拉力分别呈单向增长型、先减后增波动型、单向衰减型的3种变化模式;进一步采用有限差分软件FLAC~(3D),对锚索支护岩体开挖全过程的变形特性进行分析,并对锚索拉力变化模式及其支护效应进行探讨。结果表明,锚索拉力具有明显的时效特征,拉力演化模式与空间位置密切相关;进水池和主厂房洞室间隔墙内对穿锚索有效减小了岩墙塑性区分布范围。该研究成果具有重要理论价值,并对同类工程的设计和施工具有一定指导意义。     

考虑锚索松弛特性的预应力损失计算模型研究

基于等效应变原理,考虑耦合效应与锚索松弛特性,将锚索自身与周围介质代以松弛组合元件、广义开尔文组合元件,提出了一种新的预应力蠕变损失计算模型,并推导了其特征方程(本构方程、蠕变方程、松弛方程),阐述了锚固力损失与围岩变形之间的计算关系;在材料参数已知的情况下,对比应力应变新模型计算结果与试验测试数据可知:(1)随着锚索张拉控制应力的不断提高,锚索应变测试初值和终值不断增大,呈正相关;(2)应变测试曲线基本遵循"幂函数"趋势,表现为初期加速增长,后趋于平稳增长,最后保持基本水平;(3)蠕变计算新模型较原耦合模型更贴近相似试验测试结果,且应力与应变变化规律相符;研究成果为锚索预应力工程的设计、施工提供了理论支撑和借鉴参考。     

预应力锚索锚固力损失与岩土体蠕变耦合效应研究

因预应力锚索锚固力损失而导致锚固失效的工程事故屡屡发生,锚索锚固力损失与岩土体蠕变之间存在复杂的耦合效应关系,通过理论分析和模型研究,在岩土体常用流变模型基础上建立了基于应变相等的耦合效应计算模型,并进行了模型验证。建立二者之间的耦合效应模型,确立二者之间的计算关系式,为预应力锚固工程的设计、施工、安全运行管理以及锚固力损失的控制与补偿技术提供理论基础和技术手段。     

软岩蠕变理论及其工程应用

地下工程的施工经常遇到软岩。这类岩体抗压强度较低，具有明显的流变特性，蠕变变形量较大，常造成支护的失稳和破坏。在分析地下工程的稳定性或对地下结构设计时，应充分考虑这一特性，按流变力学理论进行分析和设计。通过现场取样，采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变试验机，并配备三轴压力室，对泥岩进行了三轴蠕变试验。试验结果表明，泥岩的蠕变具有非线性。根据试验结果，建立了泥岩的非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程，分析了围岩的应力场和位移场，并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。理论研究结果表明，控制围岩过量蠕变变形的根本途径是改善围岩应力状态，适当提高锚杆或锚索的初始预应力，从而为有效控制深部开采时围岩的有害变形提供了理论依据。     

建筑工程受力结构应力损失模型优化研究

本文依托实际工程案例,从锚索预应力损失的主要因素岩土体蠕变入手,找到了岩体蠕变与时间的关系,并对其进一步改进得到了普遍适用的锚索预应力损失预测模型:验证后可以证实:该预测模型的准确性是比较高的,即其在岩溶区锚索预应力损失预测方面是比较可靠的。总结锚索支护结构的现场施工理论,指导后续类似工程建设。     

锚索预应力蠕变损失计算新模型及工程应用

锚索预应力蠕变损失持续时间长、作用机理复杂、影响因素多样,给锚固工程长期预应力的维持带来极大的挑战;为了推进锚索预应力蠕变损失变化规律的研究,基于等效应变原理,并考虑其自身松弛特性,将预应力锚索及被锚固围岩分别由松弛模型、广义开尔文体模型模拟,提出了一种可描述预应力损失与围岩蠕变之间相互作用关系的新元件耦合模型,并推导了其本构方程、蠕变方程、松弛方程,从理论上解释了预应力损失与围岩蠕变之间的计算关系;以济南市山东高速广场配套高层深基坑工程桩锚支护体系为依托,通过理论计算、现场测试、公式拟合等方法,深入分析了锚索长期预应力变化规律,验证了计算模型的适用性、可靠性;研究表明:该计算模型可较好地反映围岩蠕变对预应力损失的变化趋势,但不能体现预应力损失总体变化水平;围岩蠕变引起预应力水平变化大致历经三个阶段,即初期(0~10d)迅速减小,中期(10~20d)趋于平稳变化,后期(20~60d)保持基本不变;围岩蠕变对预应力总损失的贡献率仅为50%,是预应力设计水平的15%,因此,其他因素引起的损失同样不可忽略;研究成果为锚固工程的设计、施工及长期预应力的预测提供了理论依据和技术支持。     

膨胀土地层锚索预应力损失与流变耦合模型研究

预应力锚索在膨胀土地层中的锚固效果受地层含水率影响较大,且锚索预应力损失与土体应力松弛之间关系紧密。据此,以四川成都地区膨胀土为研究对象,通过室内模型试验研究4种不同含水率下膨胀土地层锚索预应力的损失规律;并针对膨胀土独特的黏弹塑性力学特征,建立基于应变相等的膨胀土-锚索耦合效应计算模型,得出耦合模型的本构方程和松弛方程,并与模型试验进行对比论证。结果表明:锚索预应力的衰减大致可分为快速衰减、缓慢衰减和相对稳定3个阶段;锚索预应力的衰减速度和衰减幅度都随着膨胀土层初始含水率的增大而增加;膨胀土地层中锚索的初期预应力损失可达到总损失量的80%;耦合模型的计算结果与试验测试值基本一致,可对已知物理参数土层的锚索锚固效果进行评估。     

浅谈预应力锚索张拉控制及预应力损失

预应力锚索张拉过程中,由于各种原因会造成锚索张拉实际伸长值与理论伸长值之间存在差异,本文结合工程实际,总结出了合理的量测方法,受张拉设备、工艺水平、材料特性及环境因素等影响,控制应力会随着预应力锚索使用时间的延长而逐渐降低,从而导致整个预应力锚固体系的预压应力逐渐下降,即产生预应力损失。本文重点分析总结了预应力产生的原因及其减少预应力损失的措施。     

高应力大直径圆筒形洞室围岩变形破坏特征与失效机制

针对高应力大直径圆筒形洞室出现的岩爆、喷层开裂和钢绞线弹出等变形破坏现象,通过现场破坏调查、岩体位移和锚索应力监测,详细说明了围岩变形破坏的发展演化过程,并通过钻孔摄像观测了围岩内部破裂特征,进而总结了围岩变形破坏的演化模式。通过数值模拟揭示了洞室围岩变形破坏机制,并提出了合理的支护建议。高应力大直径圆筒型洞室变形破坏是一个链动灾害过程,围岩内部开裂导致了岩体位移和锚索荷载增加,锚索荷载超限时钢绞线断裂弹出,失去约束的洞壁围岩和喷层在卸荷作用下鼓胀开裂。高初始地应力和开挖后诱发的应力集中,玄武岩起裂强度低,临近洞室开挖诱发应力叠加,应力集中区支护强度较弱等综合因素导致了围岩内部开裂的产生。在洞室围岩应力集中区设置足够的预应力长锚索和合理的张拉力,可以有效减弱围岩内部破裂深度和程度。     

小浪底水利枢纽地下厂房岩体流变与稳定性FLAC3D数值分析

小浪底水利枢纽地下厂房稳定性分析中采用了三维连续介质拉格朗日方法数值分析软件FLAC3D,岩体流变本构关系采用FLAC3D的一个粘塑性模型.介质计算范围为357.10 m×246.44 m×451.50 m,三维网格有44 600个单元,48 705个节点.主厂房支护结构预应力锚索、张拉锚杆、混凝土喷层通过提高锚固范围内岩体的力学参数模拟,尾水管、尾水洞衬砌采用壳单元模拟.根据实际施工过程,将整个岩体开挖划分为7个开挖支护步,各步开挖荷载的施加时间为该步施工时段的中点.初始地应力场竖向应力取上覆岩体自重应力,水平侧压力系数取1.0.根据位移实测数据反分析确定岩体力学指标.竣工后4 a主厂房边墙岩体蠕变速率与收敛计实测结果吻合较好.分析表明,洞室围岩在施工过程中和竣工后长时期内具有良好的稳定性.     

大型地下洞室围岩体蠕变参数位移反分析研究

工程岩体蠕变参数的反演是大型地下工程围岩体稳定性分析中的一项重要研究内容.以锦屏二级水电站地下厂房为研究背景,根据现场施工得到的动态监测资料,通过建立能反映实际施工开挖顺序的计算力学模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法相结合的有限元位移反分析计算程序,对地下厂房围岩体蠕变参数进行反演研究.结果表明:反演位移值与现场实测值非常接近,绝大部分反演结果与实测值误差均在8%以内,反演结果较为理想;并得到了围岩体开挖蠕变后的合理应力变形特征.研究成果为地下洞室群的长期稳定性和可靠性研究提供理论依据.     

地下洞室围岩可靠度的敏感性计算

综合考虑初始地应力、渗流荷载以及岩体材料参数的随机性,采用非线性有限元的初应力法,基于偏微分技术,模拟地下洞室施工开挖步序,提出了地下洞室围岩可靠度对随机因素敏感性的计算方法,并对某一实际工程进行了计算,可以看出不同因素对围岩可靠度影响的差别很大。     

某地下洞室开挖过程中变形和应力分析研究

根据相关地下洞室工程地质条件,采用有限元分析软件ANSYS模拟地下厂房开挖,并对其进行数值模拟计算。计算得出了岩体开挖过程中围岩产生的应力、位移分布情况和变化量,分析得到了地下洞室的变形和应力都在可控值的范围内。除了应力集中部位需要特别注意外,围岩周围体都是稳定的,为地下洞室的开挖施工提供了参考。     

岩体开挖过程中初始应力的动态卸荷效应研究

提出了边坡、地下洞室开挖施工过程中岩体初始应力动态卸荷的概念。以龙滩水电站地下厂房开挖为例，比较了爆破荷载和岩体初始应力动态卸荷对岩体的动态影响。计算结果表明：（1）在中高地应力区，岩体开挖过程中初始应力场的动态卸荷可能是引起岩体松动的重要因素之一；（2）虽然炮孔近区的损伤主要是由爆破荷载引起的，而远区的忪，力则可能由岩体初始应力的动态卸荷引起；（3）初始应力卸荷越快，其引起的松动范围越大。     

环锚预应力混凝土衬砌锚索张拉工序优化

预应力钢筋的张拉工序影响到衬砌施工期的应力状态,可能在衬砌内侧产生过大的轴向次生应力,引起衬砌内侧开裂。锚索分批张拉会造成预应力损失。通过锚索张拉工序的优化,将减小衬砌施工期的轴向应力并减少预应力损失,使衬砌内侧不产生环向裂缝、提高预应力效率且减少锚索张拉次数。采用有限元方法,分析了单束锚索张拉下衬砌的应力状态。在此基础上,对不同工序下锚索张拉施工过程中,衬砌的应力状态和预应力损失情况进行了分析。最终选取张拉工序少、张拉过程中产生的轴向应力较小且预应力损失小的工序作为最优工序。分析结果表明优化后的工序减少了1/3的锚索张拉次数、预应力损失小且产生的轴向最大拉应力约为1MPa,不会使衬砌开裂。为今后类似工程的施工优化提供了参考。     

地下洞室围岩顶拱承载力学机制及稳定拱设计方法

 受枢纽布置和地形地质条件的限制,三峡工程地下厂房布置于右岸白岩尖山体中,主厂房洞室上覆岩体最薄处仅1倍厂房跨度,显然不满足现行规范关于上覆岩体厚度不小于2倍开挖宽度的要求。对于这类浅埋式的大跨度高边墙地下厂房,在上覆岩体厚度有限及一定初始应力条件下,洞室顶拱的稳定性是必须解决的首要技术问题。从岩体结构、岩体强度和地应力水平对围岩稳定性控制的角度出发,通过对地下厂房洞室围岩顶拱承载力学机制的研究,提出地下洞室岩体稳定拱的定义及其存在的力学条件,给出地下洞室岩体稳定拱的确定方法,分析采用地下洞室岩体稳定拱确定上覆岩体厚度的可行性,形成一套确定浅埋式地下厂房洞室埋置深度的稳定拱设计方法。研究结果表明,三峡工程地下厂房顶拱围岩具备形成稳定拱的埋深条件和水平应力等条件,形成稳定拱的最小埋深约为2/3倍洞跨,在上覆岩体中形成稳定拱的最小水平侧压系数应大于1.5,而最大水平侧压系数不宜高于3.0。据此进行主厂房顶拱设计,多年的应用成效显示,地下厂房顶拱围岩是稳定安全的,表明三峡工程地下厂房顶拱在既定的围岩强度、岩体结构以及初始地应力水平等条件下,采用稳定拱设计方法确定洞室上覆岩体厚度是合适、可靠的,能够保障洞室围岩稳定,满足工程安全的要求,可为解决大型浅埋洞室的设计提供理论基础和科学依据。     

白鹤滩水电站预应力锚索荷载损失机理研究

预应力锚索的锚固荷载及变化规律是保证锚固施工质量的重要因素。结合白鹤滩水电站地下厂房大量预应力锚索施工及监测成果,研究张拉过程荷载损失、锁定损失和锁定后48 h内荷载损失,分三个阶段系统梳理、量化分析预应力锚索荷载损失原因,提出了减小荷载损失、保证锚固质量的控制改进措施,为后续及其他工程锚索施工提供参考。     

破碎岩质边坡预应力锚固机制数值模拟研究

以金华-丽水-温州高速公路破碎岩质边坡预应力锚固工程为例，对破碎岩质边坡的预应力锚固机制开展系统的数值模拟分析。首先，依据现场实测预应力锚索张拉吨位与岩体变形的关系曲线，通过数值反分析，确定边坡岩体的力学参数，建立岩体力学计算分析模型。结合现场监测数据和室内试验研究成果，重点分析锚索预应力的扩散方式，探讨岩体质量、锚索张拉吨位以及外锚固结构对加固坡体应力和变形分布的影响规律，揭示预应力锚索体系的应力传递规律和坡体变形响应规律，从力学机制上揭示预应力锚索加固该类破碎岩质边坡的机制。     

锦屏一级水电站地下厂房洞室群稳定性分析与思考

 首先对修建于我国西南地区雅砻江干流上重要的梯级电站—— 锦屏一级水电站地下厂房洞室群的巨大规模、布置的复杂性,以及在极高地应力作用,和受到3条大断层及多组节理切割等复杂地质条件下,由于岩体强度较低及工程地质条件的不利组合,对地下厂房洞室群的稳定性提出的严峻挑战进行介绍。对该地下厂房洞室群施工中出现的远远超过同等规模的其他地下厂房的围岩变形,并表现出明显的时效性,还有衬砌开裂、围岩松动区持续加深、已经施工的锚杆锚索张力超限以及突然释放等各种特殊现象进行描述;然后从高地应力特点、岩体流变特性、变形特性等角度对这些现象产生的原因进行初步分析;最后针对上述情况对渐进性支护施工、分级控制锚索初始锁定张力、松动圈强化固结等若干对策的可行性进行探讨。