隧洞液压枕径向加压法试验修正方法研究(孙民伟,于立新,房后国)
[摘 要] 采用ANSYS建模技术建立二维平面计算模型,模拟分析古贤隧洞液压枕径向加压法试验,对两种加载方式下的计算结果进行了对比分析,探讨了规范中修正方法的合理性,取得了较好的效果。
[关键词] ANSYS 试验 加载方式
1 前言
径向千斤顶变形试验弹性抗力系数的计算公式[1]为:
在径向千斤顶变形试验实际操作过程中,由于试验段只能有限长受压,不能做到无限长受压,而且由于试验条件的限制,试验段需要采用两端加载方式来进行加压,因此需要对上述弹性抗力系数的计算公式进行修正。本次拟对加载方式(两端加载和整段加载)进行数值模拟,分析加载方式的不同对岩体变形的影响。
2 有限元计算概述
2.1 计算范围
岩体的计算范围:水平方向和高度方向均为20m,长度方向为无限长。其上用于传力的混凝土模型位于岩层上面的正中位置,高度0.2m,水平方向的长度本次计算两种:一种为根据水利水电工程岩石试验规程(SL264—2001)所要求,取2.2m[2],另一种根据试验的实际长度,取为1.9m。其几何模型和有限元模型见图1和图2。
2.2 加载方式
不论水平方向的长度为那一种,均按两种加载方式:
① 混凝土上边两端加载,中间段余0.2m不加载;
② 混凝土整段加载
2.3 边界条件
模型底部采用固定约束,左右侧边采用垂直于侧面的单向约束。
2.4 计算参数
计算中岩体所采用的参数见表1。混凝土的泊松比采用0.19。
3 计算结果分析
计算结果见表2和表3。
由表2和表3可以看出:
(1)在两端加载情况下,不论混凝土板水平方向的长度是2.2m还是1.9m,随着混凝土模量的增大,A点的竖向变形均随着增大,但是增大的幅度不大,当混凝土模量增大到100倍时,A点的竖向变形增大3.07%或2.64%;
(2)在整段加载情况下,不论混凝土板水平方向的长度是2.2m还是1.9m,随着混凝土模量的增大,A点的竖向变形均随着减小,但是减小的幅度不大,当混凝土模量增大到100倍时,A点的竖向变形减小3.14%或3.02%;
由(1)、(2)可以知道,当用做传力的混凝土板其弹性模量达到1 010 Pa后,混凝土模量的增大对A点的竖向变形影响不很大,当混凝土模量增大到100倍时,A点的竖向变形变化幅度仅约3%。
(3)两端加载和整段加载情况下混凝土各对应模量下A点变形的比值,随着混凝土模量的增大,由92.21%或92.85%增大到98.12%或98.28%。
为了进一步分析混凝土模量的增大对岩体变形的影响,现把混凝土模量在扩大2倍即为2×1010Pa和扩大100倍即为100×1010Pa时岩体上面距离A点不同距离的点的沉降曲线,分别列于下面,见图3~图6。
由图3~图6可以看出:
(4)当两端加载时,混凝土板中间0.2m不加压段的变形要比加压段的变形要小,而且随着混凝土模量的增大,中间0.2m不加压段的变形逐渐增大,逐渐接近加压段的变形,说明混凝土模量的增大,使混凝土板的传力效果越来越好。
(5)当整段加载时,当混凝土模量为2×1010Pa时,由于其模量较小,传力效果不是太好,岩体与混凝土板接触部分从中间A点往两边逐渐减小,说明中间段受压变形最快,接触最紧密;随着混凝土模量的增大,岩体与混凝土板接触部分的变形与混凝土模量为2×1010Pa时相比减小,但减小不多(见前述),但是岩体与混凝土板接触部分各点的变形逐渐一致,说明混凝土模量的增大,使混凝土板与岩体接触更均匀更紧密。这就是为什么整段加载情况下随着混凝土模量的增大,A点的竖向变形减小的原因。
(6)岩体与混凝土板接触面上,离开混凝土往两边,竖向变形逐渐减小,距离越大,竖向变形越小,离开混凝土往两边距离A点约为混凝土板长的1.5倍时,其变形只有A点变形的10%左右。
4 结论
(1)两端加载情况下,随着混凝土模量的增大,A点的竖向变形逐渐增大;整段加载情况下,A点的竖向变形逐渐减小,但是无论增大还是减小,当混凝土模量扩大到100倍时,其幅度都不是很大,最大约3%。
(2)两端加载和整段加载情况下混凝土各对应模量下A点变形的比值,随着混凝土模量的增大,由92.21%或92.85%增大到98.12%或98.28%。
(3)当两端加载时,混凝土板中间0.2m不加压段的变形要比加压段的变形要小,而且随着混凝土模量的增大,中间0.2m不加压段的变形逐渐增大,逐渐接近加压段的变形,说明混凝土模量的增大,使混凝土板的传力效果越来越好。
(4)当整段加载时,当混凝土模量为2×1010Pa时,由于其模量较小,传力效果不是太好,岩体与混凝土板接触部分从中间A点往两边逐渐减小,说明中间段受压变形最快,接触最紧密;随着混凝土模量的增大,岩体与混凝土板接触部分的变形与混凝土模量为2×1010Pa时相比减小,但减小不多,但是岩体与混凝土板接触部分各点的变形逐渐一致,说明混凝土模量的增大,使混凝土板与岩体接触更均匀更紧密,加在混凝土板的力更均匀地传递到岩体。因此岩体受压是个逐渐压密的过程。
参考文献
[1] 徐志英,岩石力学,水利电力出版社,1986年11月.
[2] 水利水电工程岩石试验规程(SL264—2001),中国水利电力出版社,2001年2月
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