岩壁吊车梁有限元分析的关键技术问题研究

 目前,岩壁吊车梁设计所采用的刚体极限平衡设计方法还不能确切反映岩锚吊车梁的实际受力状态。有限元法是分析研究岩壁吊车梁较为有效而应用广泛的一种方法,围绕岩壁吊车梁有限元法中的关键技术问题开展系列研究工作。根据岩壁吊车梁的受力机制,建立相应的力学模型、安全度计算公式,研究吊车梁网格尺度、模型范围、初始应力场、锚杆套筒长度以及围岩类别等因素对有限元结果的影响,同时还研究开挖释放应力和运行期轮压作用对岩壁吊车梁的双重效应。主要研究成果已被《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》(送审稿)及条文说明所采用。     

地下厂房岩锚吊车梁长锚杆作用机制研究及数值模拟分析

 地下厂房岩锚吊车梁部位倾斜布置的长锚杆是吊车梁与岩体相互传力的重要纽带。根据长锚杆周围介质的差异将单根锚杆分为梁体段、围岩段2个部分,基于中性点理论及锚杆拉拔作用特性,研究了长锚杆、梁体混凝土和围岩三者在梁体自重荷载、岩体开挖释放荷载以及吊车轮压荷载下的联合受力机制,并建立了包含沥青介质在内的锚固体力学模型,提出了一种适用于岩锚梁稳定分析的长锚杆受力计算方法。最后采用三维弹塑性非线性有限元法,结合锚杆受力算法,以某水电站地下厂房为背景,对吊车梁施工与运行期全过程进行了数值模拟分析。工程实例计算结果能够较为合理地反映长锚杆的受力特性,锚杆受力数值结果与监测值有较好的吻合度。     

复合单元法在地下厂房岩壁吊车梁中的 应用与验证

 针对某水电站地下厂房岩壁吊车梁,进行复合单元法和普通有限单元法的比较计算。研究的重点是岩壁吊车梁与围岩的接触面、锚杆与围岩的接触面以及锚杆穿越岩壁吊车梁与围岩接触面等部位,并且考虑地下厂房开挖施工、吊车梁安装和运行的过程。比较复合单元法和普通有限单元法的计算特点与计算效率,研究结果表明：在离散模拟加锚节理岩体方面,复合单元法和普通有限单元法的结果非常接近;复合单元法能给出更多应力–应变的细节,且前处理更加简便。研究结果还表明：由于复合单元法以大量的计算代替前处理工作,因此计算时间大为增加。     

惠州抽水蓄能电站地下厂房岩壁吊车梁施工期与运行期受力分析

选取地下厂房区域的典型地质剖面作为研究断面,采用有限差分法模拟了地下厂房的开挖与支护、岩壁吊车梁的建造及运行状态,重点分析了主厂房开挖过程中及运行条件下岩壁吊车梁与围岩的受力和变形状态.在此基础上,对洞室围岩及岩壁吊车梁的稳定性进行了评价.     

岩锚吊车梁破坏机制的计算模拟分析

采用非线性有限元方法研究了钢筋混凝土岩锚吊车梁和围岩的力学特性。结合某水电站三期扩建工程实践，假定地下厂房围岩和混凝土材料满足Drucke-Prager弹塑性本构关系，采用三维有限元方法计算模拟了岩锚吊车梁的破坏机制，并进行了相应的稳定性分析。数值模拟结果表明，地下厂房围岩与岩锚吊车梁交界面的粘聚力和摩擦系数大小对岩锚吊车梁的稳定性有着重要的影响。随着围岩与混凝土岩锚吊车梁粘聚力的降低，岩锚吊车梁的抗滑安全系数减小。而当围岩与岩锚梁交界面出现破坏时，岩锚吊车梁的安全系数为3．7。地下厂房的继续开挖对于吊车梁系统锚杆和周围岩体的应力分布有较大影响。有效控制地下厂房爆破开挖对围岩的损伤，对于改善岩锚吊车梁的受力状态和提高吊车梁的稳定性具有实际意义。     

三峡工程地下厂房岩壁吊车梁的稳定性分析

三峡地下厂房岩壁吊车梁的施工及运行期的稳定性是工程设计中所关注的主要问题之一。采用有限元法模拟厂房的开挖、岩壁吊车梁的建造及运行,同时还考虑在边墙断层部位岩体中布设预应力锚索,分析了围岩、岩壁吊车梁的变形及受力状态,研究了预应力锚索的加固效果,对厂房围岩及岩壁吊车梁的稳定性作出了评价。     

东风水电站地下厂房岩壁吊车梁的 二维分析及其检验

简要介绍了东风水电站地下厂房岩壁吊车梁结构的设计和实践，用有限元对岩壁吊车梁结构进行了较确切的二维分析，并和现场试验结果进行了对比，二者基本一致。结果表明吊车梁的主要承载构件受力很小，结构完全可靠。最后分析了吊车梁主要承载构件（斜拉锚杆）受力不大的力学原因。     

复杂地质条件下岩锚吊车梁结构三维数值分析

根据岩锚吊车梁与围岩联合工作原理,提出了岩锚吊车梁与围岩联合受力的分析方法;通过对复杂地质条件下拉西瓦水电站地下厂房岩锚吊车梁的分析计算,给出了岩锚吊车梁的受力特性,说明了所选择的吊车梁结构参数和锚杆支护参数是基本可行的,论证了吊车梁结构的合理性,为复杂地质条件下地下厂房岩锚吊车梁的结构受力分析提供了一种有效的分析方法.     

复杂地质结构下地下厂房布置方案的对比分析

岩滩水电站扩建工程地下厂房为大跨度、高边墙大型洞室,且上、下发育有石英岩脉与f 211构造挤压破碎带.针对这种上、下被不利地质结构所包围的地下厂房, 采用二维弹塑性有限元方法对多种布置方案下的施工开挖进行了数值模拟,分析了围岩的开挖变形与应力随开挖的演变过程.在保证地下厂房围岩整体稳定性的条件下,对地下厂房布置方案进行了比较优化,论证了合理的布置方案.分析结果表明:(1)石英岩脉力学性状及其相对于地下厂房的位置对围岩稳定性影响不明显;(2)f 211是影响厂房区岩体稳定的主要不利地质结构;(3)建议针对f 211出露部位施加相应的支护措施,这样对限制不利地质结构对围岩稳定性的影响将有明显效果.     

洪屏抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁岩台精细化开挖技术

岩壁吊车梁是地下厂房的重要建筑物,系通过长砂浆锚杆将钢筋混凝土吊车梁牢牢地锚固在岩台上,形成岩壁梁和岩体共同受力的结构。因此,岩台开挖质量将直接影响到桥机的运行安全。洪屏抽水蓄能电站地下厂房岩壁梁岩台开挖在吸取同类工程经验的基础上,进行了系统的爆破试验研究,采用了一系列关键施工技术,通过精细化施工,确保了岩台的开挖质量。     

地下厂房岩锚梁裂缝成因分析

针对水电站地下厂房开挖过程中出现的岩锚梁与围岩结合部位的纵向裂缝,结合地质资料、监测成果和施工过程,对岩锚梁裂缝产生的原因进行较为详细的分析,认为裂缝形成的时间在2006年10月底至11月初,即地下厂房进行第Ⅴ层开挖施工期间;裂缝段围岩的差异变形是裂缝产生的主要原因;导致围岩差异变形的地质原因是存在岩脉断层,施工原因是支护措施不能有效地节制围岩变形.因此,考虑岩体的非连续性,加强施工期地质工作,及时预测侧墙可能出现的差异变形,并采取有力的支护措施对确保岩锚梁安全十分重要.     

Composite element method for the bolted discontinuous rock masses and its application

This paper presents a composite element method (CEM) for discontinuous rock masses reinforced by fully grouted bolts. This element allows one to generate mesh without considering exactly the existence of bolts and joints, which further allows for an important simplification in the pre-process work. The sub-elements of rock, grout, bolt, joint, rock/grout interface and bolt/grout interface are defined using corresponding mapped nodal displacements at the composite element. The mapped nodal displacements can be determined using the governing equations established by means of the virtual work principle. Based on the mapped nodal displacements deformation and stress in each sub-element can be further obtained. The comparative study of the CEM and the conventional finite element method (FEM) has been carried out for the preliminary verification example. The numerical study for the rock bolt crane girder of an underground powerhouse by FEM and CEM is presented as the engineering application example, in which the attention has been paid to the portion of the contact face between the girder and surrounding rock masses, the contact faces between the bolts and surrounding rock masses, as well as to the portion where the rock bolt penetrates the contact face. The comparative and application studies show the validation and advantages of the CEM.     

Key rock mechanical problems of underground powerhouse in Shuibuya hydropower station

The complicated rock structures and the stability of surrounding rocks of the underground powerhouse were the key rock mechanical problems in Shuibuya hydropower station.In order to overcome the related rock mechanical problems encountered during its construction,a comprehensive research was carried out for the underground powerhouse in Shuibuya hydropower station based on a detailed geological survey.It covers the investigations on the initial in-situ stress distribution features,rock mechanical properties...     

猴子岩地下厂房上部开挖监测反馈及预测分析

猴子岩地下厂房洞室群规模巨大,其中主厂房、主变室、尾调室跨度分别达到29.2 m、18.8 m和23.5 m,厂区挤压破碎带及裂隙密集带发育,实测地应力量级为21.53 MPa～36.43 MPa,为高地应力区。笔者采用三维非线性有限元法,根据6个剖面的监测资料,进行了包含岩锚梁岩台的上部第2级开挖跟踪反馈,并对后续第3、4级开挖进行了预测分析。结果表明,猴子岩地下厂房在第2级开挖后洞周变位较大,岩锚梁处最大变位为38.05 mm,塑性区发育深度6.02 m,该计算结果与现场监测结果吻合。预测第3、4级开挖后,边墙处变位分别增至47.26 mm和71.65 mm,塑性区进一步加深达8.4 m,但各洞室间未连通。本次计算为后续施工提供了重要的参考依据,并认为现有条件下地下厂房围岩整体稳定性良好,加固处理措施有效。     

统一强度理论应用于岩石的讨论

具有多种形式的双剪理论已得到广泛的研究和应用,但没有基于试验数据的拟合与其他真三轴强度准则进行直接比较。以主应力形式直接构建线性和非线性统一强度理论,利用岩石的真三轴压缩、常规三轴压缩和伸长的试验结果,确定多个强度准则中的材料参数。统一强度理论对试验数据的拟合偏差较大,不能描述岩石常规三轴压缩和伸长强度随最小主应力的非线性增加,难以描述强度随中间主应力的变化趋势;而非线性理论使用2个隐式函数分段表示,实际计算时需进行多次比较判断。在最小主应力较低时,统一强度理论给出的岩石强度显著偏高,似乎不宜应用于孔壁崩落确定地应力、钻孔稳定性分析等。     

水电站地下厂房岩锚梁开挖技术

岩锚梁(岩锚悬臂吊车梁)是近年来广泛应用于水电站地下厂房的结构设计方式。溪洛渡电站左岸地下主厂房岩体地质结构复杂,采用分序开挖、光面爆破的施工方法,保证了岩面成型质量。     

大型地下厂房洞室群施工期围岩变形分析

瀑布沟水电站地下厂房洞室群规模大,地质条件复杂,水平构造应力高,施工期围岩的变形及稳定问题突出。结合弹塑性有限元方法和围岩变形监测资料综合分析了地下厂房洞室群施工期围岩的变形特征及稳定性。结果表明:主厂房围岩变形最大,尾水闸门室变形次之,主变室变形最小,厂房上下游边墙位移随着厂房下挖逐级增大,在厂房中部下游边墙岩锚梁高程部位处实测最大位移为107 mm;厂房边墙位移在墙顶和墙底较小,墙中部较大,上游边墙位移总体大于下游边墙;厂房拱顶径向位移总体上很小,上、下游边墙在两端的副厂房和安装间变形较小,中部变形较大;数值计算结果和变形监测资料有较好的一致性,围岩变形受施工程序和地质条件的影响较大。