淺埋大跨度淺埋隧道襯砌冷縫初始裂縫對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響分析

淺埋大跨度淺埋隧道襯砌冷縫初始裂縫對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響分析

通常，鋼筋混凝土需要按照整體建造，但由于施工組織和技術(shù)原因，混凝土的連續(xù)建造是不可能的。當(dāng)建造中的時(shí)間間隔超過混凝土的初凝時(shí)間時(shí)，混凝土的前后結(jié)構(gòu)形成冷縫。冷縫的存在和治療不完全，容易成為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，極不利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和抗?jié)B。因此，在大壩工程的施工中，需要采取加固和加固措施。然而，由于施工工藝和施工監(jiān)督不足，一些中國的工農(nóng)業(yè)隧道施工中的冷縫處理和處理不足，這可能是不完整的。這可能是安全的。目前國內(nèi)在水工隧洞的研究中,研究較多的是對(duì)冷縫的處理方法和施工措施,而在冷縫對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響研究較少.本文結(jié)合某水電站導(dǎo)流隧洞工程實(shí)例,采用ANSYS有限元分析軟件中的面-面接觸單元來模擬水工隧洞的冷縫,研究不同縫隙開度值時(shí)過縫處鋼筋應(yīng)力的變化規(guī)律,從而研究分析冷縫對(duì)導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響.1接觸單元的識(shí)別和接觸對(duì)ANSYS軟件支持3種接觸方式:點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-面和面-面接觸.本文采用面-面接觸單元模擬冷縫承載特性,與前兩種接觸方式相比,面-面接觸模式有以下優(yōu)點(diǎn):支持低階和高階單元;支持有大滑動(dòng)和有摩擦的大變形,能夠?yàn)閱卧峁┎粚?duì)稱剛度矩陣的選項(xiàng);沒有剛體表面形狀的限制,剛體表面的光滑性不是必須的,允許有自然的或網(wǎng)格離散引起的表面不連續(xù);允許多種建?？刂?例如:綁定接觸、漸變初始穿透、單元生死技術(shù)等.三維面-面接觸單元模型見圖1,接觸單元“conta173”(4結(jié)點(diǎn)低階四邊形單元,可退化為3結(jié)點(diǎn)三角形單元)和目標(biāo)單元“targe170”附在實(shí)體單元的接觸面上,同時(shí)程序會(huì)自動(dòng)決定接觸計(jì)算所需的外法向,“目標(biāo)面”和“接觸面”通過相同的實(shí)常數(shù)號(hào)來識(shí)別、建立“接觸對(duì)”.接觸單元“conta173”的插值基函數(shù)Ni=1/4(1+sis)(1+tit),i=1,4.形函數(shù)矩陣:[Ν]=[Ν100Ν200Ν300Ν4000Ν100Ν200Ν300Ν4000Ν100Ν200Ν300Ν4](1)[N]=???N1000N1000N1N2000N2000N2N3000N3000N3N4000N4000N4???(1)接觸壓力:p={0un≥0knun+λi+1un≤0(2)p={0knun+λi+1un≥0un≤0(2)其中,λi+1={λi+knun|un|>ελiun>ε?kn=mEA2V式中,kn為法向接觸剛度;E為接觸單元周圍的實(shí)體體積模量;m為法向接觸剛度比例因子;V為實(shí)體單元的體積;A為實(shí)體單元定義的接觸面的面積;λi為第i次迭代的Lagrange乘子;ε為容差,定義接觸許可的穿透量.庫侖摩擦模型:{τlim=μp+c|τ|≤τlim(3)式中,τlim為最大允許剪應(yīng)力;τ為等效剪應(yīng)力;μ為摩擦系數(shù);p為接觸面法向壓力;c為凝聚力.在庫侖摩擦模型中,可直接定義最大允許接觸摩擦應(yīng)力τmax,其合理的高估值τmax=σy/√3,其中σy為變形材料的Mises屈服應(yīng)力.當(dāng)兩模型材料表面的摩擦力大于式(2)中的最大允許剪應(yīng)力或定義的最大允許接觸摩擦應(yīng)力時(shí),模型之間將產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng).2計(jì)算模型和計(jì)算條件2.1數(shù)值模型及邊界條件某水電工程右岸導(dǎo)流洞斷面尺寸為16m×19m(寬×高),為城門洞型,進(jìn)口高程1204.00m,出口高程1200.50m,運(yùn)行水位1263.2m,封堵期水位1297.89m,圍巖類型為Ⅲ類,襯砌兩側(cè)距離底板2m處各有一條施工冷縫,支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示.以該工程某一典型斷面為研究對(duì)象,建立有限元模型,模型左右及下部圍巖各取5倍的洞寬,頂部圍巖取至地表,洞軸線方向取2m(1倍錨桿排距),計(jì)算邊界條件是頂部為臨空面,其他邊界施加法向位移約束.圍巖和襯砌混凝土采用8節(jié)點(diǎn)等參單元模擬,圍巖采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則和相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則,混凝土采用William-Warnke五參數(shù)組合破壞準(zhǔn)則;鋼筋、錨桿采用2節(jié)點(diǎn)桿單元Link8模擬;噴層采用4節(jié)點(diǎn)板殼單元Shell143模擬;冷縫設(shè)有鍵槽,模擬時(shí)用平縫做簡化處理,采用面-面接觸單元模擬.整個(gè)計(jì)算模型共包括單元27847個(gè),節(jié)點(diǎn)27352個(gè);其中實(shí)體單元24636個(gè),殼單元684個(gè),桿單元2155個(gè),接觸單元192個(gè).整體及局部模型網(wǎng)格剖分如圖4～5所示.2.2邊墻錨桿支護(hù)隧洞周圍主要為Ⅲ類圍巖,抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo):c′=0.5MPa,f′=0.8;邊墻、頂拱系統(tǒng)錨桿為Φ25,間、排距2m,長度L=3m、6m相間布置;噴層為C20混凝土,厚度0.1m,具體的材料參數(shù)列于表1.2.3襯砌混凝土結(jié)構(gòu)方案比選冷縫初始縫隙值分別為0mm、0.2mm、0.5mm和1.0mm,運(yùn)行期4個(gè)計(jì)算方案,封堵期4個(gè)計(jì)算方案,共8個(gè)計(jì)算方案,襯砌混凝土均采用開裂非線性方案,方案編號(hào)如表2所示.運(yùn)行期計(jì)算荷載:結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)水壓力;封堵期計(jì)算荷載:結(jié)構(gòu)自重+外水壓力.3結(jié)論分析3.1襯砌為等支護(hù)深度小,圍巖塑性區(qū)范圍大,且逐漸被襯砌圍巖中誤操作各計(jì)算方案中特征位置點(diǎn)(見圖5)的塑性區(qū)深度詳見表3.從表3可以看出:運(yùn)行期襯砌受內(nèi)水壓力作用向外變形,圍巖塑性區(qū)深度較小,而封堵期,由于襯砌向洞內(nèi)變形受到圍巖的約束,因此在襯砌與圍巖之間存在一定的拉應(yīng)力區(qū)域,將進(jìn)一步造成圍巖穩(wěn)定狀態(tài)惡化,圍巖塑性區(qū)范圍較大,但都沒超過錨桿的支護(hù)深度;分別比較運(yùn)行期和封堵期各方案的計(jì)算結(jié)果,可以看出冷縫初始縫隙值的大小對(duì)圍巖塑性區(qū)深度和范圍的影響很小.3.2錨桿支護(hù)應(yīng)力各計(jì)算方案中特征位置點(diǎn)(見圖5)的錨桿應(yīng)力值詳見表4(表中正值表示拉應(yīng)力,負(fù)值表示壓應(yīng)力,下文相同),表中屈服部分表示錨桿應(yīng)力達(dá)到310MPa.從表4可以看出:運(yùn)行期內(nèi)水壓力作用下錨桿應(yīng)力較小,均未屈服,封堵期圍巖約束襯砌向內(nèi)變形,錨桿應(yīng)力較大,其中底板部位錨桿應(yīng)力超過了錨桿的屈服應(yīng)力;分別對(duì)比方案①、②、③、④和方案⑤、⑥、⑦、⑧中各特征位置點(diǎn)錨桿應(yīng)力值可知,冷縫初始縫隙值的大小對(duì)A、B、C、D位置錨桿應(yīng)力影響很小,對(duì)冷縫處錨桿應(yīng)力有一定影響,冷縫初始縫隙值越大,冷縫處鋼筋應(yīng)力越大,但變化并不明顯.3.3襯砌內(nèi)鋼筋應(yīng)力各計(jì)算方案中特征位置點(diǎn)(見圖5)的鋼筋應(yīng)力詳見表5.從表5可以看出:無論是運(yùn)行期還是封堵期,縫隙處鋼筋應(yīng)力明顯大于其它部位的鋼筋應(yīng)力;運(yùn)行期,襯砌受內(nèi)水壓力作用向外變形,襯砌內(nèi)鋼筋主要承受拉應(yīng)力,但冷縫初始縫隙值的大小對(duì)鋼筋應(yīng)力的影響很小;封堵期,襯砌受外水壓力作用向內(nèi)變形,鋼筋主要承受壓應(yīng)力,縫隙處鋼筋應(yīng)力較大,冷縫初始縫隙值大小對(duì)A、B、C、D位置鋼筋應(yīng)力影響較小,但對(duì)過縫處鋼筋應(yīng)力影響很大,過縫處鋼筋應(yīng)力隨冷縫初始縫隙值的增大而增大,并有可能造成鋼筋局部受壓屈服破壞.3.4襯砌為外變形各計(jì)算方案中冷縫開度如圖6和圖7所示.從圖6和圖7可以看出:運(yùn)行期,受內(nèi)水壓力的作用,襯砌向外變形,冷縫張開,冷縫開度隨初始縫隙值增大而增大;封堵期,受外水壓力作用,襯砌向內(nèi)變形,冷縫呈閉合趨勢,冷縫開度隨初始縫隙值增大而增大,當(dāng)冷縫初始縫隙值為0mm時(shí),縫隙完全閉合,當(dāng)冷縫初始縫隙值大于0.2mm時(shí),冷縫完全張開,對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在不利影響.4初始裂隙值的影響根據(jù)某工程存在施工冷縫的典型洞段資料,建立了三維有限元模型,進(jìn)行了三維非線性有限元分析,從分析結(jié)果中可以得出以下結(jié)論:冷縫初始縫隙值的大小對(duì)圍巖塑性區(qū)和錨桿應(yīng)力影響甚小,襯砌鋼筋會(huì)在縫隙處產(chǎn)生應(yīng)力集中;在運(yùn)行期內(nèi)水壓力作用下,