隧洞围岩稳定性分析及衬砌的非线性研究
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摘要
本文围绕隧洞的围岩稳定和衬砌的非线性性能展开研究。
应用ANSYS大型有限元分析软件模拟隧洞施工及运行的全过程,评价隧洞安全性能是目前有效的方法。本文针对传统的模拟开挖应力释放的“反转作用力”方法中存在的程序处理方面非常复杂的缺点,应用弱化单元理论,在原有材料本构模型的基础上,推算隧洞在施工中应力释放系数与材料弹性模量之间的关系,从而确定应力释放—弹性模量弱化系数之间的曲线关系,得出了一些有意义的结论,为简化有限元模型提供理论基础。
隧洞由于是在自然状态下的岩土地质体内开挖的,因而地质环境对支护结构设计有着重要意义。本研究尽量真实地模拟了实际工程刘家峡水电站洮河口排沙洞支护—围岩之间的受力关系,再现了水工隧洞的开挖、衬砌、充水、检修过程,对隧洞的工作性能作出评价。
针对钢筋混凝土结构在正常使用条件下,大部分受弯构件都已开裂进入非线性状态,结构在非线性状态下工作的特点,运用有限元非线性理论来分析钢筋混凝土衬砌结构的非线性力学性能,对衬砌的非线性安全稳定性能进行研究与探讨。
有限元模型对原型结构地基的模拟范围和材料特性直接影响计算结果的准确性和可信度。本文研究了不同地基范围的有限元计算模型对水工隧洞地震响应的影响,从而确定合理的地基模拟范围。同时,针对隧洞处于地基中,地基的弹性模量很难准确获得的特点,分析了不同的地基弹性模量下,水工隧洞的地震响应趋势。
This dissertation was devoted to the stabilisation and nonlinear performance of the buried reinforced concrete lined tunnel.
Applying the finite element analysis software ANSYS to simulation the construction and run procedure of the buried reinforced concrete lined tunnel, is a effective way to evaluate its stabilization. This article aim at the complex of the program processing of the conventional method that applying“anti-acting force”to simulate relaxation when excavated,applying the avianized element theory to predict the relationship between relaxazation ratio and Young’s modulus of adjacent rock on the base of original material parameter relationship .Determining the curvilinear relationship between relaxazation ratio and avianized ratio of Young’s modulus, get some piece of senseful conclusion,providing fundamental basis for simplifying finite element model.
Because the the buried reinforced concrete lined tunnel is excaved in the nature rock stratum, geology environment is important to the structural design of lining.This approach simulated the stress relation between lining and wall rock,reconstructed the procedure of excavation, lining, water filing and inspection,gave appraisement on the service behavior of the tunnul.
Aiming at the feature that under regulai service condition, most of the bending component have dehiscenced,approaching nonlinear status, the structure work under nonlinear status,applying finite element-nonlinear theory to analyse the nonlinear mechanics performance of reinforced concrete lining.Studied the safety and stabilization of the structure.
The span of simulation context and material characteristic about finite element model will influence the accuracy and credence of the calculation results.This part studied the influence of different foundation scope to the response of earthquake,then fix the appropriate simulation context of foundation.At the same time,the tunnel is in wall rock,the Young’s modulus of rock is hard to exactly determined,this part calculated the influence of different Young’s modulus to the response of earthquake.
应用ANSYS大型有限元分析软件模拟隧洞施工及运行的全过程,评价隧洞安全性能是目前有效的方法。本文针对传统的模拟开挖应力释放的“反转作用力”方法中存在的程序处理方面非常复杂的缺点,应用弱化单元理论,在原有材料本构模型的基础上,推算隧洞在施工中应力释放系数与材料弹性模量之间的关系,从而确定应力释放—弹性模量弱化系数之间的曲线关系,得出了一些有意义的结论,为简化有限元模型提供理论基础。
隧洞由于是在自然状态下的岩土地质体内开挖的,因而地质环境对支护结构设计有着重要意义。本研究尽量真实地模拟了实际工程刘家峡水电站洮河口排沙洞支护—围岩之间的受力关系,再现了水工隧洞的开挖、衬砌、充水、检修过程,对隧洞的工作性能作出评价。
针对钢筋混凝土结构在正常使用条件下,大部分受弯构件都已开裂进入非线性状态,结构在非线性状态下工作的特点,运用有限元非线性理论来分析钢筋混凝土衬砌结构的非线性力学性能,对衬砌的非线性安全稳定性能进行研究与探讨。
有限元模型对原型结构地基的模拟范围和材料特性直接影响计算结果的准确性和可信度。本文研究了不同地基范围的有限元计算模型对水工隧洞地震响应的影响,从而确定合理的地基模拟范围。同时,针对隧洞处于地基中,地基的弹性模量很难准确获得的特点,分析了不同的地基弹性模量下,水工隧洞的地震响应趋势。
This dissertation was devoted to the stabilisation and nonlinear performance of the buried reinforced concrete lined tunnel.
Applying the finite element analysis software ANSYS to simulation the construction and run procedure of the buried reinforced concrete lined tunnel, is a effective way to evaluate its stabilization. This article aim at the complex of the program processing of the conventional method that applying“anti-acting force”to simulate relaxation when excavated,applying the avianized element theory to predict the relationship between relaxazation ratio and Young’s modulus of adjacent rock on the base of original material parameter relationship .Determining the curvilinear relationship between relaxazation ratio and avianized ratio of Young’s modulus, get some piece of senseful conclusion,providing fundamental basis for simplifying finite element model.
Because the the buried reinforced concrete lined tunnel is excaved in the nature rock stratum, geology environment is important to the structural design of lining.This approach simulated the stress relation between lining and wall rock,reconstructed the procedure of excavation, lining, water filing and inspection,gave appraisement on the service behavior of the tunnul.
Aiming at the feature that under regulai service condition, most of the bending component have dehiscenced,approaching nonlinear status, the structure work under nonlinear status,applying finite element-nonlinear theory to analyse the nonlinear mechanics performance of reinforced concrete lining.Studied the safety and stabilization of the structure.
The span of simulation context and material characteristic about finite element model will influence the accuracy and credence of the calculation results.This part studied the influence of different foundation scope to the response of earthquake,then fix the appropriate simulation context of foundation.At the same time,the tunnel is in wall rock,the Young’s modulus of rock is hard to exactly determined,this part calculated the influence of different Young’s modulus to the response of earthquake.
引文
[1] 段乐斋,杨欣先,夏广逊,吕祖珩,张有天.水工隧洞和调压井(水工隧洞部分)[M].北京:水利水电出版社.1991,6
[2]李仲奎,马吉明.水利水电工程[M].北京:科学出版社.2004,9
[3] 董安建,刘世煌.我国的水工隧洞建设[J].水利水电技术.1999(12):56~58
[4] 朱经祥,石瑞芳.中国水力发电工程(水工卷)[M].北京:中国电力出版社.2000,8 李仲奎 马吉明 水利水电工程[M].北京:科学出版社.2004,9
[5]曹善安,董毓新.地下结构力学.大连工学院出版社。1987,9
[6] 徐干成,白洪才,郑颖人,刘朝.地下工程支护结构.—北京:水利水电出版社,2001
[7]王海波,李德玉.拱坝抗震设计理论与实践.—北京:中国水利水电出版社,2006
[8]孙钧,侯学渊.地下结构.科学出版社
[9] 王国强. 实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实现[M]. 西安:西北工 业大学出版社, 1999.
[10] 龚曙光,谢桂兰. ANSYS 操作命令与参数化编程[M]. 北京:机械工业出版 社,2004,4.
[11]郑必勇.应力释放原理在深开挖工程中的应用.江苏建筑.1998
[12]蔡晓鸿,蔡勇平.水工压力隧洞结构应力计算.北京:中国水利水电出版社, 2004,6
[13]王惠德,冯家聪,范家齐.弹性力学解析法与数值法.哈尔滨工业大学出版社, 1987,12
[14]徐芝囵.弹性力学.人民教育出版社,1979,7
[15]APDL 参数化有限元分析技术及其应用实例.中国水利水电出版社,2004.2
[16]邵建国,支护时机对洞室围岩变形的影响,河海大学学报,1999,10
[17]崔政权,李宁.边坡工程——理论与实践最新发展[M].中国水利水电出版 社.1999
[18]尤春安.全长粘结式锚杆的受力分析[J].岩石力学与工程学报,2000,(30:339~341
[19]黄河刘家峡水电站洮河口排沙洞工程有限元仿真计算任务书 西北院提供
[20]任务书附工程图纸 西北院提供
[21]中华人民共和国水利电力部,水工钢筋混凝土结构设计规范,北京:水利电力出版社,1985.2
[22]水工隧洞设计规范
[23]张玉军,李治国. 铁山隧道和大娅口隧道的平面弹塑性有限元分析[J]. 岩土力学. 2004,12:
[24]张庆贺. 地下工程[M]. 上海:同济大学出版社. 2005.
[25]R.E.Goodman,R.L.Taylor and T.L.Breke.Amodel for the mechanics of Jointed Rock,J.Soil Mech.and Found.,Div.,ASCE,Vol.98,NO.SM4,1968.
[26]董哲仁,钢筋混凝土非线性有限元法原理与应用,北京:中国铁道出版社,1993
[27]董哲仁,钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析,北京:中国水利电力出版社,1998
[28]陈观福、伍鹤皋、熊德炎,地下埋藏式压力钢管非线性有限元分析,武汉水利电力大学学报,Vol.32,No.6,Dec.1999
[29]王金龙,地下埋管非线性有限元分析,武汉水利电力大学硕士论文,2000
[30]混凝土非线性力学基础,北京:中国建筑工业出版社,1997
[31]朱伯龙,董振祥,钢筋混凝土非线性分析,上海:同济大学出版社,1985
[32]Chen WF.Plasticity in Reinforced Concrete.McGraw-Hill Book Company.New York,1982
[33]C.S.Desai.,Computational procedures for Non-linear 3-D Analysis with Some Advanced Constitutives,Int.J.Num.Analy.Meth.Geomech.,Vol.7,1983
[34]J.N.Thomas,An Improved Accelerated Initial Stress Procedure for Elasoplastic FEM Analysis,Int.J.Num.Analy.Meth.Geomech,Vol.8,1984
[35]惠灼,秦卫红,吕志涛,非线性空间有限元在钢筋混凝土分析中的应用,东 南大学学报,1997,9
[36]朱伯芳,有限单元原理与应用,北京:水利电力出版社,1979
[37]孙钧,地下工程设计理论与实践,上海:上海科学技术出版社.
[38]阎兴华,韩淼.工程结构抗震设计,北京:中国计量出版社出版.2000.2
[39]卢存恕,常伏德,吴富英,范国庆.建筑抗震设计实例,北京:中国建筑工业 出版社,1998
[40]张新培.钢筋混凝土抗震结构非线性分析.北京:科学出版社,2003
[41]田斌,刘启钊,危文爽.埋藏式钢筋混凝土岔管的有限元计算范围.武汉水利电力大学学报,1997,12
[42]天津大学水利水电工程系,黄河小峡水电站工程厂房三维静动力计算, 2003,12;
[43]董毓新,李彦硕等,水电站建筑物结构分析,大连:大连理工大学出版社,1995。
[44]潘家铮,水工结构分析文集,北京:电力工业出版社,1981
[45] Bresler B and Bertero V V,Behavior of Reinforced Concrete under Repeated Loads,J.Struct.DIV.,ASEC,1968.9,94,ST6:1567～1590
[46]徐有邻,钢筋混凝土粘结滑移本构关系的简化模型,工程力学,1997 增刊:34-38,
[47] ANSYS 高级技术分析指南,ANSYS 中国,2000.1
[48] ANSYS 非线性分析指南,ANSYS 中国,2000.1
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[51] 潘家铮.风雨兼程 50 年[J].水力发电,1999,(10):8~10,19.
[52]田斌.高水头大直径地下钢筋混凝土岔管的计算研究:[学位论文].南京:河海大学,1992.6
[53]陆佑楣,潘家铮言编.抽水蓄能电站[M].北京:水利电力出版社,1992
[54]丰定国,王杜良.抗震结构设计[M].武汉:武汉工业大学出版社,2001
[55]J.P.瓦尔夫.土—结构动力相互作用。
[56]刘晶波,吕彦东.结构—基础动力相互作用问题分析的一种直接方法[J].土木工程学报,东南大学学报,1997,9
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[39]卢存恕,常伏德,吴富英,范国庆.建筑抗震设计实例,北京:中国建筑工业 出版社,1998
[40]张新培.钢筋混凝土抗震结构非线性分析.北京:科学出版社,2003
[41]田斌,刘启钊,危文爽.埋藏式钢筋混凝土岔管的有限元计算范围.武汉水利电力大学学报,1997,12
[42]天津大学水利水电工程系,黄河小峡水电站工程厂房三维静动力计算, 2003,12;
[43]董毓新,李彦硕等,水电站建筑物结构分析,大连:大连理工大学出版社,1995。
[44]潘家铮,水工结构分析文集,北京:电力工业出版社,1981
[45] Bresler B and Bertero V V,Behavior of Reinforced Concrete under Repeated Loads,J.Struct.DIV.,ASEC,1968.9,94,ST6:1567～1590
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[34]J.N.Thomas,An Improved Accelerated Initial Stress Procedure for Elasoplastic FEM Analysis,Int.J.Num.Analy.Meth.Geomech,Vol.8,1984
[35]惠灼,秦卫红,吕志涛,非线性空间有限元在钢筋混凝土分析中的应用,东 南大学学报,1997,9
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[55]J.P.瓦尔夫.土—结构动力相互作用。
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