地下厂房岩锚梁岩壁围岩与锚杆支护宏细观特性研究

发布时间：2020-04-05 22:35

【摘要】：无论是我国全面建设小康社会新时期还是“一带一路”经济区建设需要,都促使交通、市政、能源、国防等领域的水利与岩土地下工程建设进入新的阶段。地下厂房安全稳定问题关系到国内外众多大型工程项目的安全运行,而岩锚梁作为地下厂房重要结构,因直接承受吊车荷载、岩壁局部变形较大、受力特性复杂等特点,关系到地下厂房开挖及运行期的整体安全稳定性。目前针对岩锚梁结构力学特性的研究整体偏于经验参考和基于宏观分析计算方法,对于岩壁围岩细观损伤过程、锚杆支护作用细观机理以及薄弱结构面细观受力特性等研究还不充分,有必要引入新的模型与算法、从新的视角对这些问题进行研究和探讨,同时可为实际工程提供理论支持。本文围绕地下厂房岩锚梁岩壁围岩与锚杆支护宏细观特性的关键问题,首先基于有限单元法、从宏观力学角度研究了岩锚梁在不同爆破参数下、不同开挖工况下以及不同支护条件下的围岩变形与损伤特征、吊车梁运行安全系数以及锚杆受力分布规律;为进一步研究岩锚梁结构在地下厂房开挖和运行期的细观受力特性,通过引入基于颗粒流PFC程序的离散元分析法、PFC-FLAC离散-连续耦合分析法,以及本文提出的改进颗粒流声发射片模拟方法,揭示了岩壁围岩细观损伤累积与损伤深度判别、全长粘结锚杆支护主动变形围岩细观作用机理、薄弱接触面局部细观破坏特征等宏细观力学特性,主要研究内容如下:(1)进行了地下厂房岩锚梁岩壁爆破开挖精细化控制研究。在实际工程要求岩锚梁岩壁精细化开挖的基础之上,提出了地下厂房岩锚梁三维有限元模型建立与分析方法,推导了岩壁爆破开挖荷载计算及有限元迭代计算方法,研究了不同爆破参数下爆破开挖荷载对吊车梁岩壁围岩受力与破坏特性的影响,结果表明岩锚梁局部岩壁围岩对爆破参数取值十分敏感,应注意避免爆破对岩壁附近围岩的扰动及破坏;建立了合理的岩锚梁超挖模型并分析了岩锚梁安全性评价指标,结果显示超挖工况下地下厂房运行期岩锚梁岩壁围岩破坏范围增大、变形量增加,承载能力降低、接触面安全系数减小,不利于形成合理受力变形特征及保证稳定安全运行,因此为避免岩锚梁岩壁不良开挖现象、保证岩台按设计成型,必须对岩壁爆破开挖设计进行精细化控制。(2)研究了地下厂房岩锚梁涂沥青锚杆支护特性。为了改善地下厂房岩锚梁岩壁浅层围岩应力集中现象,增大岩锚梁及其岩壁围岩的整体安全性,地下厂房施工过程中将吊车梁附近围岩1.5～2m范围内的上排斜拉锚杆涂裹沥青,锚杆与围岩局部脱离使得应力传递至围岩深部。针对地下厂房岩锚梁上排受拉锚杆涂沥青工艺,提出了一种在地下厂房岩锚梁有限元模型中生成沥青单元的方法:根据岩锚梁体型与吊车梁锚杆走向划分局部单元网格,建立地下厂房洞室群有限元模型;在上排斜拉涂沥青锚杆穿过的单元内生成新的节点,根据八节点六面体单元点-线-面基本关系,重新生成新的有限元模型;采用隐式杆单元法模拟涂沥青锚杆,隐式柱单元法模拟普通锚杆,将采用涂沥青锚杆与不采用涂沥青锚杆的孟底沟水电站地下厂房岩锚梁有限元模型进行对比分析与计算,有效模拟了锚杆涂沥青段岩壁围岩破坏区减少、应力集中现象减弱、围岩整体承载能力增强以及锚杆应力沿杆长趋于均匀化分布的受力特性。(3)提出了岩石与锚杆材料的离散颗粒模型数值仿真方法,探讨了基于离散元颗粒流PFC程序的介质变形、受力、损伤判别及破坏过程的细观力学描述手段,包括颗粒间接触力链与介质宏观受力特性的关系、颗粒模型微裂纹发育记录和声发射特性的关系、颗粒模型墙体伺服与介质宏观应力的关系等,并应用于岩石无侧限压缩试验、直接拉伸试验、不同围压下三轴压缩试验以及粘结锚杆拉拔试验等的离散颗粒模型数值试验研究,分析了岩石破坏过程中微裂纹扩展形态和声发射特性以及拉拔锚杆细观受力特征,从细观力学角度探索了有效的岩石和锚杆材料颗粒离散元模拟方法并得以成功运用。(4)基于PFC-FLAC离散-连续耦合计算方法,研究了围岩主动变形条件下全长粘结锚杆细观支护特性。针对单独采用离散元颗粒流PFC程序无法适用于地下厂房洞室开挖与支护工程尺度的问题,通过引入PFC-FLAC离散-连续耦合计算方法将求解区域划分为两个子区域,在FLAC程序中建立有限差分单元连续模型用于维持边界地应力值,同时在PFC程序中建立相应尺寸的地下洞室开挖颗粒流模型;经基于FISH语言二次开发的数据传输设计,两程序中的连续模型和离散颗粒模型可以进行有效数据交换和连续耦合计算,FLAC耦合边界与PFC墙体保持了良好的变形一致性和应力等价性。将其用于开挖面围岩主动变形情况下的全长粘结锚杆支护机理研究,从细观力学角度分析了开挖边界围岩维持自平衡的压力环机制、锚杆支护围岩“中性点”特征和围岩-锚杆联合承载细观作用机理。结果表明锚杆支护使得开挖边界围岩压力环厚度降低,但单根压接触力链量值升高并交织在锚杆周围,锚杆颗粒间平行粘结力远大于围岩颗粒平行粘结力,从细观角度良好呈现了锚杆-围岩联合承载机制;通过颗粒变形特征可知锚杆支护下靠近开挖边界的颗粒向临空面的变形大于锚杆变形,远离开挖边界的深部围岩颗粒向临空面的变形小于锚杆变形,两者变形相等的地方锚杆颗粒间接触力最大,直观体现了锚杆在地下洞室围岩支护过程中的“中性点”特征;开挖前后临空面附近围岩的颗粒孔隙率下降百分比较无锚杆支护工况显著降低,体现了锚杆为改善开挖引起的围岩松动效应所发挥的重要作用。(5)基于改进的PFC颗粒流声发射片模拟方法,研究了地下厂房岩锚梁局部细观受力与破坏特性。针对基于经典PFC-FLAC离散-连续耦合计算方法的PFC颗粒流声发射片技术在地下厂房洞室大变形或应力集中部位不能进行稳定耦合计算的问题,提出了一种基于FLAC模型耦合区域节点速率双线性插值的改进PFC颗粒流声发射片模拟方法:在FLAC程序中进行大型地下洞室分期开挖与支护过程模拟,同时建立与洞室重点关注部位单元节点享有共同坐标的PFC颗粒流声发射片模型,颗粒速度依据双线性插值隶属于FLAC耦合区域节点速度,能够容许耦合区域的任意变形并满足PFC颗粒、PFC墙体和FLAC耦合边界三者之间同步运动。经某地下洞室分期开挖算例验证,可知浅层围岩内颗粒接触力链紊乱且出现空洞,伴随大量微裂纹发育并逐渐汇合成两道明显的“X,”型宏观裂隙带,深部围岩内只发育少量微裂纹;随着开挖的进行剪裂纹占微裂纹总数百分比越来越大,促使围岩呈现出延-塑性破坏特征;锚杆和衬砌支护可显著降低微裂纹发育即围岩损伤程度。说明该方法良好适用于地下洞室局部细观力学特性分析,并将其应用于孟底沟水电站地下厂房岩锚梁岩壁围岩局部受力、变形与破坏特性研究中,提出了基于声发射片微裂纹发育特征的围岩破坏区深度判别方法,结果与有限元分析结果相一致并弥补了后者围岩破坏显示方法单一、尤其难以描述围岩损伤程度变化的缺点,表明上述方法在描述开挖面围岩损伤问题时具有明显优越性;同时用于研究吊车梁岩壁围岩参数劣化和吊车超载情况下吊车梁与围岩接触面问题,从其变形趋势、细观接触力链形态、微裂纹发育类别与宏观裂隙特征等多个宏-细观角度再现了竖直与倾斜接触面将分别产生拉裂破坏与剪切破坏的力学响应过程。
【图文】：

岩壁吊车梁,主厂房,成形,精细化

图２－２厂房开挖形图逡逑除三峡水利枢纽工程外，吊车梁岩台开挖精细化控制还在两河口［６６】、溪洛渡［５Ｇ〗、逡逑向家坝［４２］、锦屏［６２］、糯扎渡［３１］等多个大型水利工程中得到运用，并取得了良好的开挖逡逑效果，超挖厚度、平整度和半孔率等指标均严格满足工程设计标准。综上可以看出实逡逑际水利工程建设对地下厂房岩锚梁岩壁精细化爆破开挖以及岩壁开挖成型质量有很逡逑

交通洞,母线洞,三维有限元模型,调压室

（１）地下洞室ＣＡＤ平面网格逦（２）地下洞室三维有限元网格逡逑图２－３六面体有限元模型平面网格与三维网格逡逑利用本课题组基于ＯｐｅｎＧＬ开发的地下工程三维有限元模型前处理程序逡逑ＦｅａＧｍｐｈｉｃ将地下厂房平面网格按照厂房计算纵向长度要求平推成三维网格（图２－３）；逡逑然后将模型顶部向上平推数层，根据工程所在范围的地面等高线数据插值计算并变动逡逑模型顶部高程，使其形成随真实地面形态变化的起伏地面线；最后按照设计与施工参逡逑数指定相应单元的材料编号及开挖分期号等信息，地下厂房洞室群整体有限元模型建逡逑立如下（图２－４）。逡逑＿逡逑图２－４具有起伏地面线的地下厂房洞室群三维有限元模型逡逑地下厂房洞室群中引水管、母线洞、尾水管、交通洞、调压室等结构，可通过改逡逑变局部节点坐标的办法来获得真实的洞室形状。对于更加复杂的洞室群，还可以采用逡逑复制、镜像、拼装网格等方式并已在实际建模工作中得到实现，综上可以快速、准确逡逑地完成复杂地下洞室群有限元模型建立。下图为依据上述方法所建立的孟底沟水电站逡逑地下厂房岩锚梁有限元模型（图２－５）。逡逑２１逡逑
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV731.6;TV554

【参考文献】