浅埋大跨度浅埋隧道衬砌冷缝初始裂缝对围岩稳定性影响分析

浅埋大跨度浅埋隧道衬砌冷缝初始裂缝对围岩稳定性影响分析

通常，钢筋混凝土需要按照整体建造，但由于施工组织和技术原因，混凝土的连续建造是不可能的。当建造中的时间间隔超过混凝土的初凝时间时，混凝土的前后结构形成冷缝。冷缝的存在和治疗不完全，容易成为结构的薄弱部位，极不利于结构的整体稳定性和抗渗。因此，在大坝工程的施工中，需要采取加固和加固措施。然而，由于施工工艺和施工监督不足，一些中国的工农业隧道施工中的冷缝处理和处理不足，这可能是不完整的。这可能是安全的。目前国内在水工隧洞的研究中,研究较多的是对冷缝的处理方法和施工措施,而在冷缝对隧洞结构稳定的影响研究较少.本文结合某水电站导流隧洞工程实例,采用ANSYS有限元分析软件中的面-面接触单元来模拟水工隧洞的冷缝,研究不同缝隙开度值时过缝处钢筋应力的变化规律,从而研究分析冷缝对导流洞结构稳定性的影响.1接触单元的识别和接触对ANSYS软件支持3种接触方式:点-点、点-面和面-面接触.本文采用面-面接触单元模拟冷缝承载特性,与前两种接触方式相比,面-面接触模式有以下优点:支持低阶和高阶单元;支持有大滑动和有摩擦的大变形,能够为单元提供不对称刚度矩阵的选项;没有刚体表面形状的限制,刚体表面的光滑性不是必须的,允许有自然的或网格离散引起的表面不连续;允许多种建模控制,例如:绑定接触、渐变初始穿透、单元生死技术等.三维面-面接触单元模型见图1,接触单元“conta173”(4结点低阶四边形单元,可退化为3结点三角形单元)和目标单元“targe170”附在实体单元的接触面上,同时程序会自动决定接触计算所需的外法向,“目标面”和“接触面”通过相同的实常数号来识别、建立“接触对”.接触单元“conta173”的插值基函数Ni=1/4(1+sis)(1+tit),i=1,4.形函数矩阵:[Ν]=[Ν100Ν200Ν300Ν4000Ν100Ν200Ν300Ν4000Ν100Ν200Ν300Ν4](1)[N]=⎡⎣⎢N1000N1000N1N2000N2000N2N3000N3000N3N4000N4000N4⎤⎦⎥(1)接触压力:p={0un≥0knun+λi+1un≤0(2)p={0knun+λi+1un≥0un≤0(2)其中,λi+1={λi+knun|un|>ελiun>ε‚kn=mEA2V式中,kn为法向接触刚度;E为接触单元周围的实体体积模量;m为法向接触刚度比例因子;V为实体单元的体积;A为实体单元定义的接触面的面积;λi为第i次迭代的Lagrange乘子;ε为容差,定义接触许可的穿透量.库仑摩擦模型:{τlim=μp+c|τ|≤τlim(3)式中,τlim为最大允许剪应力;τ为等效剪应力;μ为摩擦系数;p为接触面法向压力;c为凝聚力.在库仑摩擦模型中,可直接定义最大允许接触摩擦应力τmax,其合理的高估值τmax=σy/√3,其中σy为变形材料的Mises屈服应力.当两模型材料表面的摩擦力大于式(2)中的最大允许剪应力或定义的最大允许接触摩擦应力时,模型之间将产生相对滑动.2计算模型和计算条件2.1数值模型及边界条件某水电工程右岸导流洞断面尺寸为16m×19m(宽×高),为城门洞型,进口高程1204.00m,出口高程1200.50m,运行水位1263.2m,封堵期水位1297.89m,围岩类型为Ⅲ类,衬砌两侧距离底板2m处各有一条施工冷缝,支护结构如图3所示.以该工程某一典型断面为研究对象,建立有限元模型,模型左右及下部围岩各取5倍的洞宽,顶部围岩取至地表,洞轴线方向取2m(1倍锚杆排距),计算边界条件是顶部为临空面,其他边界施加法向位移约束.围岩和衬砌混凝土采用8节点等参单元模拟,围岩采用Drucker-Prager屈服准则和相关联的流动法则,混凝土采用William-Warnke五参数组合破坏准则;钢筋、锚杆采用2节点杆单元Link8模拟;喷层采用4节点板壳单元Shell143模拟;冷缝设有键槽,模拟时用平缝做简化处理,采用面-面接触单元模拟.整个计算模型共包括单元27847个,节点27352个;其中实体单元24636个,壳单元684个,杆单元2155个,接触单元192个.整体及局部模型网格剖分如图4～5所示.2.2边墙锚杆支护隧洞周围主要为Ⅲ类围岩,抗剪断强度指标:c′=0.5MPa,f′=0.8;边墙、顶拱系统锚杆为Φ25,间、排距2m,长度L=3m、6m相间布置;喷层为C20混凝土,厚度0.1m,具体的材料参数列于表1.2.3衬砌混凝土结构方案比选冷缝初始缝隙值分别为0mm、0.2mm、0.5mm和1.0mm,运行期4个计算方案,封堵期4个计算方案,共8个计算方案,衬砌混凝土均采用开裂非线性方案,方案编号如表2所示.运行期计算荷载:结构自重+内水压力;封堵期计算荷载:结构自重+外水压力.3结论分析3.1衬砌为等支护深度小,围岩塑性区范围大,且逐渐被衬砌围岩中误操作各计算方案中特征位置点(见图5)的塑性区深度详见表3.从表3可以看出:运行期衬砌受内水压力作用向外变形,围岩塑性区深度较小,而封堵期,由于衬砌向洞内变形受到围岩的约束,因此在衬砌与围岩之间存在一定的拉应力区域,将进一步造成围岩稳定状态恶化,围岩塑性区范围较大,但都没超过锚杆的支护深度;分别比较运行期和封堵期各方案的计算结果,可以看出冷缝初始缝隙值的大小对围岩塑性区深度和范围的影响很小.3.2锚杆支护应力各计算方案中特征位置点(见图5)的锚杆应力值详见表4(表中正值表示拉应力,负值表示压应力,下文相同),表中屈服部分表示锚杆应力达到310MPa.从表4可以看出:运行期内水压力作用下锚杆应力较小,均未屈服,封堵期围岩约束衬砌向内变形,锚杆应力较大,其中底板部位锚杆应力超过了锚杆的屈服应力;分别对比方案①、②、③、④和方案⑤、⑥、⑦、⑧中各特征位置点锚杆应力值可知,冷缝初始缝隙值的大小对A、B、C、D位置锚杆应力影响很小,对冷缝处锚杆应力有一定影响,冷缝初始缝隙值越大,冷缝处钢筋应力越大,但变化并不明显.3.3衬砌内钢筋应力各计算方案中特征位置点(见图5)的钢筋应力详见表5.从表5可以看出:无论是运行期还是封堵期,缝隙处钢筋应力明显大于其它部位的钢筋应力;运行期,衬砌受内水压力作用向外变形,衬砌内钢筋主要承受拉应力,但冷缝初始缝隙值的大小对钢筋应力的影响很小;封堵期,衬砌受外水压力作用向内变形,钢筋主要承受压应力,缝隙处钢筋应力较大,冷缝初始缝隙值大小对A、B、C、D位置钢筋应力影响较小,但对过缝处钢筋应力影响很大,过缝处钢筋应力随冷缝初始缝隙值的增大而增大,并有可能造成钢筋局部受压屈服破坏.3.4衬砌为外变形各计算方案中冷缝开度如图6和图7所示.从图6和图7可以看出:运行期,受内水压力的作用,衬砌向外变形,冷缝张开,冷缝开度随初始缝隙值增大而增大;封堵期,受外水压力作用,衬砌向内变形,冷缝呈闭合趋势,冷缝开度随初始缝隙值增大而增大,当冷缝初始缝隙值为0mm时,缝隙完全闭合,当冷缝初始缝隙值大于0.2mm时,冷缝完全张开,对隧洞结构稳定存在不利影响.4初始裂隙值的影响根据某工程存在施工冷缝的典型洞段资料,建立了三维有限元模型,进行了三维非线性有限元分析,从分析结果中可以得出以下结论:冷缝初始缝隙值的大小对围岩塑性区和锚杆应力影响甚小,衬砌钢筋会在缝隙处产生应力集中;在运行期内水压力作用下,