长江葛洲坝工程基坑卸荷效应断裂力学模型分析

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1、长江葛洲坝工程基坑卸荷效应断裂力学模型、 分析李宗华?葛洲坝水电工程学院?提要在一些大坝工程中,有关岩体应力的现象引起人们的关注。? ? 创? ?奥地利,? ?曾以瓦依昂坝失事为例,说明残余应力对地面工程的影响,并提 出一 些 相应的 处理方法。在第八届国际大坝会议上? ? ?,? ?七?瑞典?指出,在修筑大坝前必须充分分析坝基岩体的应力状态,并预测建 坝后的应力状态的变化。在第三届国际岩石力学会议上? ? ?,一些欧州学者如? ? ?只? ?五?陈述过开挖基坑将引起基坑底板岩石斜交地表的剪切断裂和水平分离。关 于地表和地下大尺寸开挖及其有关应力间题被列为国际工程地质协会第五层会议的主要议题之

2、一,这表明人们的认识日益深化且受到重视。全世界地壳应力实测的上万数据表明,水平应力大于垂直应力且 大于按 自重计算应力的例子大约占? ?。我国几个大尺寸开挖的水电工程现场如葛洲坝、三峡和二滩工程等亦属此类。在 大的初始水平应力作用下,决定大尺寸开挖或自然侵蚀而引起的应力一应变变化的主要因素是地表几何形态随开挖或侵蚀过程的变化。本文以葛洲坝工程二江 电厂基坑为实例,视发生卸荷效应的地表人工坑槽和自然侵蚀河谷为半无限空间弹性 体的边缘缺口,建立其卸荷效应 的线弹性断裂力学模 型。本模型用于岩质高边坡和坝基稳定分析可能是可取的简便方法。一、模型的基本假设由于地面、地下大尺寸开挖或侵蚀卸荷引起的地 表

3、缺口围岩应力、变形和破坏,在下述条件下可用本模型分析?岩石是均质各向同性或横观各 向同性 的弹性 体或粘弹性体,?远场存在着相对岩石垂直应力和自重应力都是较犬的水平应力作用?缺口前缘轮廓曲率足够大,以致可以忽略垂直一方向和平行于缺口长轴的水平方向的卸荷影响?塑性区相对于缺口尺寸局限在小范围。二、模型的建立 及其实例分析?一?以二次曲线拟合缺口断面轮廓?缺口纵断面的半椭园曲线拟合如图? ,实例基坑长? 乙? ? ?,两端各以陡壁下切至? ? ?和? ? ? 米高程,而其中段最深达? ?高程,即在 原基岩面平均高程以下无二? ? ?深处。令等效半椭园长半轴?二? ? ?,短半轴?二? ?十? ?瓜

4、,其面积等于实际开挖基坑纵断面面积。据此精心计算得翻 ? ? 目卜叼口卜毛月 ? 卜? 闷? ?明? 卜心月? ?奋明?,砚月? ?月 卜月 ?卜?月? ? 川 卜月?门卜目? 洲 ?心? ?公叨 ? 卜?祖? 卜奋明? ?右月?卜劝月?个时期的地壳形变,受北东向和东西向构造线控制,?级唐 山地震就是在此两组构造交会处发生的。四、几点认识?天津市区地面沉降年平均速率在一? ?毫米以上,如不大量减少地下水开采量,对沉降区采取回灌措施,就不能减缓天津市地面沉降。?通过京津唐地区十几期睛密水准复测资料分析,区内木存在绝对稳定点,但有些点位相对稳定性较好,如宝低基岩标点年平 均上升速率?。?毫米,蓟县

5、基岩点年平均上升速率为?,?一?毫米,以此作为天津市地面沉降参考点目前是完全可用的。如采取措施天津市地面沉降速度减缓,要 求今后选择精度更高、稳定性更好的相对参考点。?京津唐地区近期的地壳形变明显受北东向和东西向构造控制,出现 了北升南降的形变概貌,表明本区第四纪以来具有明显的继承性。天津地区横跨几个构造单元,现代构造活动的强度也是不同的。位于黄弊拗陷的渤海沿岸是下降的?如以海平面年平 均上升?毫米计算,显然过大。若能 扣除近年世界海面上升平均年速率?一?毫米闭,则沿海地区年下沉 速率约?毫米较为可信。位于沦县隆起的天津市区,由于干扰因素强烈,无法确切估计下降速率,考虑到 周围地区的资料,年下

6、降平均速率约在?一?毫米之间较为合适。注?本文中应用的不少 资料,由天津测绘处提 供,计算工作由黄立人、赵承坤同志完成,在此表示感谢。主要参考文献?黄立人等,?名?年,带权基准方程平 差 在垂直形变分析 中的应用,大地形变测量,第四期。?章大初,?,地面沉降监测中的海洋相对稳定参考面,侧 绘通报,第三期。图?长江葛洲坝二江电厂基坑纵断面简化 与基坑却荷此椭园参数二?,? ?二,?二?,? ?。,第二类椭园积分必。“? ?。其等效半椭园短轴端点在盛号机窝段中心底板下,? ?高程处。?缺口横断面的抛物线拟合基 坑横断面在机窝段挖至最深,其宽? ?,两边各以? ?向上放坡分别达? ? ?和? ? ?

7、高程,尔后以平合接缓 坡、上升,尚考虑基坑两边坡肩爆破松动影响,以焦点在等效半椭园短轴端点以上?高度处的、 抛物线,? ?拟合,求得其?,?二?图?。?二?初始水平应力测量与基坑垂直 边壁的水平卸荷 中科院武汉岩土所在基坑下游? ?远 处用垂直孔测相应高程初始水平应力。孔深? ?,实测不同深 度?个点的值如表?,用以代表基坑在无开挖影响下的远场应 力即初始应力条件。基坑垂直边壁的水平卸荷应力分量据平面问题静力平衡条件计算如图?。其稳定带内实测结果为?,、“?,? ? ?, 内一。?,? ? ? ?,?,?二? ? ?。由于几, 。?很小?可以忽略?和基坑底宽仅是其表?长江葛洲坝工程二江现场初始

8、水平应力实测成果? ? ?点深度? ? ?一?了。?。?。?。? ?。? ? ! 一? ? !? ? ? 随? ?。?, 。“”? ?。? ? 吕?。? !?。吕? ? ?。?、? ?。? ? !。? !? ?。? ? ?。? ? ?。? ? 。?、 ? ? ? ? ?吸几必长度的? ?而视基坑为工型缺口。由于按自重计算的垂直卸荷不足水平卸荷的? ?,加之基坑底部狭长而忽略自童应力或垂直卸荷影响。据实测不同深度的初始水平应力的大小和方向计算的基坑上或下游边壁垂直面上的法向卸荷应力少,?。,按实际分布如图?。在考虑?,。?卸荷效应时按其随深度分布分成两段统 计基坑气?六联祠?埃埃埃? ? ?呜呜

9、砂砂一一一图?作用在裂隙内面的两面对称分布力的 简化?据李光想、白世伟,? ? ? ?单位长度上的合力大小和确定其作用点位置,得尸? ?,相应?,? ?,马? ?,?相应?,? ?恤。两边边坡水平卸荷只有弹性变形可以恢复,因此,以假想等代拉力几和马加荷于两边边坡垂直面上,从而计算其对基坑根部及其围岩的影响。?三?基坑底部弹性应力场?缺口前缘各点应力强度因子按线弹性断裂力学公式计算相 应情况的缺口前缘各点的应力强度因子。对于如路堑、明槽和河谷一类二维地表缺口可用公式?,即 ?犬?、? ?习尸、,之二二卜?一一奥益一之二?。?心。卜?二“?了万 石?了卜护加,?一三 ?皿?产 式中,尸、?、?为基

10、坑单位长度上的力,对于实例基坑 由于上述原因已忽略其?和?的作用,? ? ? ?,可从相应图表中查找。对于半无限体边缘半椭园缺口,考虑到塑性和形状修正的短轴端点应力强度因子尚需对? ?式乘以。?一 ? ,其中一? ?一一 万一一公 一召? 一匆? ? ? ? ?沪口二恤一? ? ?会竺? ? 式中,汀,哎。、为当地工作等效均布应 力?”是岩体有效屈服极限即塑性区最大主应力内。如果考 虑塑性屈服区实际接近平面应变状态,即以岩体单轴压缩极限丙代之。这意味着塑性区内塑性约束 系数? ?厂? ?。缺口前缘上 任一点的应力强度因子利用该 点的离心角必?图? ?给出,即对 上 述结果再乘以?一丑,? ?,

11、?,其中犬?二?一?”。在等效半椭园的短轴端和长轴端分别取其?,的最大值和最小值。代入实例的?,、尸?、bl、如、a、。和功。等值,并取:=。= l,2 41. 7kP。 (见后述),当地工作等效均布应力按p,和尸:对缺口根部的 力 矩换 算得J,。=1,9 65 .9kpa,从而求得半椭园短轴端点 的价.m。二3 1,8 30. 4N.。一”气而2号或6号机窝中段缺口前缘点h a尤J(,6。=2 5,69 5. 6N。 m一3/”。2.缺口根部弹性应力场如图沼,用抛物线拟合缺口根部横断面轮廓时,据Goa gerM和Pa ri s护.c,给出的公式(3)和公式(4)计算 缺口根部弹 性应力分布

12、,即引- 2 旦一I 芝 少(4)图3葛洲坝二江电厂基坑缺口简化孕荞根 部弹性应力场!按平面问题静力平衡条件计算其主应力、剪应力的大小和方向。实例基坑现场弹性应 力场的电算成果示于 图3中。(四)缺口围岩力学参数的确定武汉岩土所用有限元 法分析实例基坑围岩 的变形帅。其 结果证实:即使是这个近水平产状而具多层次密 间距软弱夹层的白噩纪沉积层沿最典型的软弱夹层发生的层间错动流变量,也表明基坑 围岩变形取决于整个地区岩石和软弱夹层的整体变形特征。据此在 横观各向同性体一般情况下,按整个地区钻孔揭露各不同性质岩石厚度分别 加权平均各变形和强度特征指 标,以作为整个基琉岩体的相应特征指标。统计了实例基

13、坑围岩各部位4个大钻孔及3个小钻孔实测资料,得到围岩不同岩石组合的厚度比。绪合室内、外的犬、中、小三轴试验成果及其它因素,由勘测及设计单位共同确定各岩石的各种参数。按厚 度分别加权平均各岩石参数得到整个基坑岩体的相应力学参数。这些数值统列于表2中。岩体三轴强度参数按C ou lo mb破坏标准的直线式d:二尸Jd十d 0表达栩,尸是与岩体(岩石)抗剪强度指标有 关的参数, d 0为单轴压缩极限强度。岩石(或岩体)的单轴拉伸极限强度是 据此嵋如,f f i t研裂磷即晋欢竺一“寿确定的。实例岩体的沙=一1弱.ZkPa.(五)缺口围岩的破坏区域确定很多实例因开挖导致围岩破坏而影响工程。在塑性区或开

14、裂区与弹性区之间的边界上,其应力同时满足破坏标准和弹性应力两种条件。1. G石f fi t h开裂区边界方程将缺口根部弹性一CO S表2长江葛洲坝工程二江电厂基坑岩石与 岩体力学参数尤r 召乏厌奋一岩石或岩体 岩休 力学参数粘土岩石砂岩 一sin粘土质 粉砂岩 州刃川一叫Z、 . . . .1卜I . . . . JP一犷一2一一、 l. e e. t夕fJ公内杨r . l w e s e e e少、 I e e . e se er6 . 7 5一2 . 4 4 . 2 0 . 4尤I 斌不歹c o“卜s*鲁,普,十s*子,等4 8。434。520。 03。15100。003。68712。67

15、1。680一2sin鱼c os 2丝 么浑l粉除!; 1。.3 1。.1, 。.3 3 (3)注:讥和E单位为心a,岩石力学参数和厚度比据韩志诚。一23一条件方程式代人Gff计h开裂标准方程式,则得Gr订f-针h开裂区边界方程:Colo mb塑性区边界方程:一俞长全. (劲一产。=仔 )+(i。一刹-1zKI、,2火Jol 二(卜二)c o争扣朴护。卿b”一Slnr”二,3。!犷l哪soc全若令0=0 o2则有开裂区最大深度特征尺寸R:(5)一厂1/尤八_,、, l粼= It玲.尸匆l 气40。11J云/声而当006 0。时,则有,二6 0.二1. 0 59双。乐coIOInl塑性区边界方程将缺口根部附近弹性应 力条件方程式代 入塑性 条件方程式,则得(6) 3.沿水平力学弱面剪破区边界 方程理论上可将任一剪切 面上的弹性应 力条件式代入C。动二b塑性条件式或Mc ol i成o c卜wa ls五破坏标准式,建立沿任一力学弱面的剪破区边界方