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《中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)》 2009年
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地下工程锚固时效性及可靠性研究

伍国军  
【摘要】: 地下工程中,由于岩体流变特性所带来的诸多问题给洞室开挖后的结构安全增加了风险。在锚固岩体中,锚杆(索)长期有效预应力是关系到锚固工程成败的关键之一。大量的实践证明,地下工程洞室开挖后围岩体的长期流变影响锚杆(索)锚固支护的不稳定甚至失效,从而导致整个锚固体系的失稳。目前,国内外对流变岩体工程的长期稳定性、岩体锚固的时效性特征等许多关键基础性问题的研究尚属起步阶段。 本文结合大岗山水电站工程,对地下工程的非线性流变特性、锚固时效性及锚固承载可靠性开展深入细致的研究工作,取得的研究成果: 1.流变岩体锚固机理研究 基于荷载传递机理,建立了锚固微元体轴力的微分方程,推导了广义开尔文流变模型及幂函数经验流变模型的微元体锚杆轴力随时间和应力变化的关系式,并得到以下结论:当微元体受拉时,锚杆轴力随时间有不断增长的趋势;而当微元体受压时,锚杆轴力则随时间不断的减小;以锚杆轴应力与围岩体的蠕变应变相关为切入点,从解析推导和数值计算两种方法上证明了锚杆应力峰值位置和围岩体塑性区相重合的结论。 2.岩体非线性蠕变损伤模型研究 建立了岩体非线性蠕变损伤演化方程,并根据大岗山水电站花岗岩室内三轴蠕变试验和辉绿岩脉现场单轴蠕变试验的结果对本构方程进行了参数辨识。蠕变损伤模型反映了损伤随粘性应变的增大而稳定发展,随时间的增长而不断增加,且损伤还能反映随岩体流变的快速破坏过程。 3.岩体锚固界面剪切流变试验及其本构模型研究 通过锚固系统界面的室内常规剪切和剪切流变试验研究,得到以下结论:随时间的增长,剪应变逐渐增大,而沿剪切面方向剪应变逐渐降低;锚杆的预应力则表现出先期的快速衰减,然后慢慢回升,最后基本稳定在某个相对不变的水平;在此基础上提出并建立了法向软接触的指数接触形式和剪切面的非线性流变本构模型,该模型考虑了法向应力的影响因而能更合理的反映剪切流变的力学过程;通过编制程序计算分析,得到以下结论:无沦系统锚杆还是预应力锚杆,在经过围岩体塑性区的情况下,均在锚杆长度方向某个位置出现了应力峰值;对于预应力锚杆,当预应力增大时,锚杆轴向应力的峰值向洞口移动:而流变后的锚杆轴向应力峰值则向锚杆深处移动。 4.地下工程锚固体时变可靠性研究 提出了锚固时变可靠度的概念,并在改进蒙特卡罗法的基础上,率先采用能明显节省样本数量,并能产生任意大小维数的分层-拉丁超立方复合抽样方法,自行编制了基于MATLAB-ABAQUS联合实现的可靠度计算程序,并对锚杆的承载可靠性进行了计算分析和评价,提出锚固体失效概率随着围岩体流变时间的增长而逐渐增加,随着预应力变化幅度的提高失效概率迅速减小的规律。 5.大岗山水电站地下厂房长期稳定性及锚固时变可靠性研究 在前面的研究基础上,以大岗山水电站地下厂房锚固工程作为研究对象,建立了考虑岩体流变特性、锚固界面接触模型和锚固承载力可靠性分析的计算模型,通过编制程序计算得到以下研究成果: 地下厂房洞壁有一定的拉应力产生,塑性区主要分布在靠近主厂房的断层和岩脉部位,主变室和尾调室之间没有贯通,但有逐渐贯通的趋势;对穿锚索的分布特征是:两头大,中间小,随着围岩体的流变,除索1左端锚固力略有下降外,其他锚索锚固力均呈现缓慢增长的趋势;锚索锚固的失效概率随着流变时间的增长逐渐增加,增幅逐渐减小,锚索体系失效概率在流变一年时对应的失效概率为0.0085,可靠指标为2.39,基本符合安全要求。长期看来,锚固失效概率会有极其微小的增加,但最终会趋于稳定。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TV223

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