大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)研究

聶軍洲

(金中天水利建設(shè)有限公司，廣州 510700)

0 引 言

隨著大型水電站壩建設(shè)項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，對(duì)大型水電站壩的基質(zhì)力學(xué)可靠性和力學(xué)性能的可靠性提出了更高的要求。根據(jù)對(duì)大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)特征分析，結(jié)合顆粒強(qiáng)度、顆粒形狀等方面的特征分布，采用量化表征參數(shù)分析的方法，進(jìn)行大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)，結(jié)合試樣臨界狀態(tài)分析，根據(jù)極限平衡概念，通過(guò)無(wú)腹筋梁設(shè)計(jì)，進(jìn)行工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，實(shí)現(xiàn)軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)，提高大型水電站壩施工的質(zhì)量[1]。

對(duì)大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)，是建立在對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)參數(shù)擬合和特征分析基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程的施工優(yōu)化。目前，對(duì)大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程的參數(shù)估計(jì)方法主要有復(fù)位耗能支撐控制方法、荷載加載控制方法等。采用砂輕混凝土和次輕混凝土進(jìn)行梁抗剪計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體的力學(xué)參數(shù)估計(jì)[2]。文獻(xiàn)[3]中提出了基于集中荷載作用下輕骨料的大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)方法，確定各影響因素對(duì) LAC 的影響，采用桁架模型建立參數(shù)估計(jì)的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度和屈服應(yīng)力參數(shù)估計(jì)，通過(guò)引入折減系數(shù)，對(duì)混凝土項(xiàng)進(jìn)行折減，實(shí)現(xiàn)參數(shù)估計(jì)，但該方法進(jìn)行巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)的可靠性和精度不高。文獻(xiàn)[4]中進(jìn)行了降雨誘發(fā)山區(qū)公路邊坡危巖崩塌機(jī)理研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖體工程的剪跨比、配箍率、混凝土強(qiáng)度參數(shù)估計(jì)，但該方法在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)性能不好。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于屈服顆粒幾何尺寸的量化表征的巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)模型，通過(guò)建立形狀參量檢測(cè)模型，結(jié)合試樣工程力學(xué)特征分析，建立三維離散元模擬分析分析模型，通過(guò)建立基含夾層軟弱巖體粒間摩擦角及粗糙度的關(guān)系分析模型，采用采用線性接觸模型實(shí)現(xiàn)大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)。最后通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，得出有效性結(jié)論。

1 試件和力學(xué)模型

1.1 試件結(jié)構(gòu)

構(gòu)建大型水電站壩基含夾層軟弱巖體結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力響應(yīng)分析模型，試件采用SLCS6-80受力全過(guò)程的抗力函數(shù)模型，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287-1999)，在不同的構(gòu)件連接模式下，進(jìn)行內(nèi)管、外管、巖體構(gòu)件摩擦裝置的力學(xué)參數(shù)分析[4]，基含夾層軟弱巖體的構(gòu)件見圖1。

圖1 基含夾層軟弱巖體的構(gòu)件

水電站壩基含夾層軟弱巖體內(nèi)外管剛度為Ki與Ko，預(yù)應(yīng)力筋和摩擦裝置的屈服響應(yīng)分別為Ai與Ao，基于損傷的循環(huán)退化參數(shù)分析[5]，得到大型水電站壩基含夾層軟弱巖體的試件設(shè)計(jì)參數(shù)，見表1。

表1 大型水電站壩基含夾層軟弱巖體的試件設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)試件參數(shù)設(shè)定，采用建研式加載裝置的方法，進(jìn)行電站壩基含夾層軟弱巖體的結(jié)構(gòu)非線性和彈性階段的骨架曲線分析，采用理論推導(dǎo)與經(jīng)驗(yàn)法結(jié)合的方法，建立形狀參量檢測(cè)模型，結(jié)合試樣工程力學(xué)特征分析[6]，計(jì)算屈服荷載與屈服位移的比值，依據(jù)水電站壩基含夾層顆粒形狀建立不同形狀影響機(jī)理下的線性接觸模型。采用單顆粒、復(fù)合顆粒和顆粒簇分析的方法進(jìn)行基含夾層軟弱巖體的結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)分析。基含夾層軟弱巖體顆粒結(jié)構(gòu)力學(xué)分布見圖2。

圖2 基含夾層軟弱巖體顆粒結(jié)構(gòu)力學(xué)分布

1.2 力學(xué)模型參數(shù)

在建立了水電站壩基含夾層軟弱巖體的顆粒簇結(jié)構(gòu)模型參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水電站壩基含夾層軟弱巖體的數(shù)值試樣參數(shù)分析，并分析其細(xì)觀機(jī)制[7]，通過(guò)顆粒簇單元來(lái)構(gòu)建基含夾層軟弱巖體的工程力學(xué)解析模型。在顆粒流模擬試驗(yàn)中，相對(duì)密實(shí)度為 0.75，圍壓增加量設(shè)定為800 kPa，以接觸模量、接觸切向與法向剛度之比、水電站壩基剛度為自變量，通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析，得到力學(xué)參數(shù)分布，見表2。

表2 力學(xué)參數(shù)分布

在力學(xué)參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，建立三維塊體離散元估計(jì)模型，根據(jù)材料力學(xué)特性分析，進(jìn)行體應(yīng)變-軸向應(yīng)變分析，建立大型水電站壩基含夾層軟弱巖體的工程力學(xué)評(píng)估模型[8]，得到力學(xué)參數(shù)的估計(jì)實(shí)現(xiàn)技術(shù)圖，見圖3。

圖3 參數(shù)估計(jì)模型實(shí)現(xiàn)技術(shù)圖

2 工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)

通過(guò)建立水電站基含夾層軟弱巖體粒間摩擦角及粗糙度的關(guān)系分析模型，采用線性接觸模型分析的方法，基于破壞形態(tài)與靜力加載的方法[9]，考慮單顆粒模型的精細(xì)度，建立水電站基含夾層軟弱巖體的表面粗糙度分布矩陣為：

(1)

其中：ai為應(yīng)力水平范圍參數(shù)；X1，X2,……Xn為力學(xué)行為和破壞行為參數(shù)；Y1,Y2,……Yn為材料強(qiáng)度和連接件布置參數(shù)。

在不同變形模式下，構(gòu)建試件的承載力檢測(cè)模型，表示為：

(2)

其中：h為試件的承載力特征值；Ga為剩余承載力；a為抗壓強(qiáng)度分布系數(shù)；L為鋼板的貢獻(xiàn)；X為試件的核心混凝土材料參數(shù)；Y為連接件的拉力抵抗荷的相對(duì)值。

用φ(a,t,s,b)表示大型水電站壩基含夾層的非線性力學(xué)行為，根據(jù)彎曲變形模式下的縱向強(qiáng)度，得到水電站基含夾層軟弱巖體粒間的應(yīng)變力學(xué)參數(shù)：

(3)

其中：a為鋼板的正應(yīng)力；t為水電站基含夾層軟弱巖體的屈服彎矩；b為面外集中荷載；φx為混凝土破壞面的連接件數(shù)；P為連接件拉力。

沖切開裂抗力參數(shù)估計(jì)值：

(4)

其中：ξ為水電站基含夾層連接件和鋼板的破壞參數(shù)；L為連接件拉力，根據(jù)水電站基含夾層軟弱巖體復(fù)合材料板構(gòu)件剛度，水電站基含夾層軟弱巖體的工程力學(xué)特性測(cè)試擬合函數(shù)式為：

(5)

式中：x為連接件提供的剪力模量；y為車用單側(cè)鋼板上連接件變形值；wi為軸向荷載；u為偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變；α2為可破碎試樣平衡參數(shù)；d(ωi,k)為t時(shí)刻切線本構(gòu)矩陣。

由此，建立三維離散元模擬分析模型，通過(guò)建立基含夾層軟弱巖體粒間摩擦角及粗糙度的關(guān)系分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

采用數(shù)值分析和參數(shù)模擬的方法，驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)中的應(yīng)用性能。實(shí)驗(yàn)采用CAD/CAM仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行，結(jié)合Matlab數(shù)值分析工具，設(shè)定水電站壩基含夾層軟弱巖體的接觸模量取值為60、200和400 kPa，C2ε=1.92，支撐屈服前后剛度比、水平荷載和位移之間的相關(guān)性系數(shù)為Cμ=0.09，切向應(yīng)力σk=1.0，構(gòu)件在峰值點(diǎn)后的強(qiáng)度σε=1.3 MPa。巖體的工程力學(xué)參數(shù)分布值見表3。

表3 車用復(fù)合材料板簧力學(xué)特性參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)估計(jì)結(jié)果，計(jì)算屈服荷載與屈服位移的比值，得到工程力學(xué)參數(shù)的計(jì)算值和試驗(yàn)值，見圖4。

圖4 工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)

分析圖4可知，采用本文方法進(jìn)行大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)值與試驗(yàn)值相當(dāng)。測(cè)試估計(jì)精度，得到測(cè)試結(jié)果，見圖5。分析圖5可知，本文方法的估計(jì)精度較高。

圖5 力學(xué)參數(shù)估計(jì)精度對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)對(duì)大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)特征分析，采用量化表征參數(shù)分析的方法，進(jìn)行大型水電站壩基含夾層軟弱巖體工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)，建立形狀參量檢測(cè)模型，結(jié)合試樣工程力學(xué)特征分析，計(jì)算屈服荷載與屈服位移的比值，依據(jù)水電站壩基含夾層顆粒形狀建立不同形狀影響機(jī)理下的線性接觸模型。通過(guò)體應(yīng)變-軸向應(yīng)變分析，建立大型水電站壩基含夾層軟弱巖體的工程力學(xué)評(píng)估模型。測(cè)試結(jié)果表明，采用本文方法進(jìn)行工程力學(xué)參數(shù)估計(jì)的精度較高，試驗(yàn)值和估計(jì)值相當(dāng)。