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地下埋藏式壓力鋼管廣泛應(yīng)用于大中型水電站和抽水蓄能電站，目前電站規(guī)模越來(lái)越大，鋼管的HD值超過(guò)了規(guī)范值，規(guī)范建議的方法不能反映材料的實(shí)際承載能力，已越來(lái)越難以適應(yīng)現(xiàn)代大中型水電站建設(shè)的需要。
因此，本研究探討了一種能夠充分發(fā)揮材料的實(shí)際承載能力的地下埋藏式壓力鋼管強(qiáng)度分析方法，用它來(lái)進(jìn)行管道設(shè)計(jì)既安全可靠又經(jīng)濟(jì)合理，且具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。地下埋藏式壓力鋼管在長(zhǎng)度方向的尺寸比橫截面尺寸大得多，地應(yīng)力變化不太大，當(dāng)圍巖的結(jié)構(gòu)面垂直管軸線方向分布及不考慮開(kāi)挖掘進(jìn)的影響時(shí)，可采用平面變形假定。當(dāng)兩洞間距大于3倍洞徑以上，各洞之間相互影響較小時(shí)，可以作為單洞考慮。本研究在假定條件下且鋼襯應(yīng)力按規(guī)范的建議取值，在考慮鋼襯各種應(yīng)力效應(yīng)的條件下用罰單元法，編制了非線性有限元分析程序，結(jié)合某實(shí)際工程，通過(guò)方案比較，揭示了初始地應(yīng)力及開(kāi)挖支護(hù)引起的二次應(yīng)力以及在內(nèi)水壓力作用下鋼襯的彎曲剪切效應(yīng)對(duì)地下埋藏式壓力鋼管承載能力的影響。
開(kāi)挖效果的模擬采用鄧肯(Dancan JM)等人提出的反轉(zhuǎn)應(yīng)力釋放法，根據(jù)文獻(xiàn)可以近似考慮開(kāi)挖面空間效應(yīng)：假定開(kāi)挖面處因開(kāi)挖面的空間效應(yīng)在任一時(shí)刻釋放了某種比例的釋放力P，當(dāng)開(kāi)挖面向前推進(jìn)至x處，該研究截面釋放出另一比例的釋放力P2，于是，在距開(kāi)挖面之后x處，總的釋放荷載為式中，Pi，Pg(g為重力加速度)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料確定。在缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)，可根據(jù)文獻(xiàn)的三維彈塑性有限元分析結(jié)果，取其中，Po為初始地應(yīng)力。這樣，只要給定研究截面與開(kāi)挖面的距離x，就可以從上式中算出圍巖已釋放的荷載P(x)(在這一部分荷載作用下按無(wú)支護(hù)分析)，剩余的荷載Po-P(x)在支護(hù)施作后釋放(按已完成支護(hù)來(lái)分析)。
在程序的具體實(shí)現(xiàn)中，將總反轉(zhuǎn)荷載分為若干增量步逐步加載，當(dāng)累計(jì)的荷載小于P(x)時(shí)，令噴混凝土及錨桿單元的彈模為一個(gè)很小值，即不考慮支護(hù)的作用，當(dāng)累計(jì)荷載大于或等于P時(shí)，令上述單元取正常的彈模值，重新形成新的剛度矩陣，以反映錨杯支護(hù)的作用。同濟(jì)大學(xué)曾對(duì)收集的國(guó)內(nèi)外新奧法施工的61條隧洞的197個(gè)量測(cè)斷面的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行計(jì)算分析，歸納提出了以圍巖強(qiáng)度、圍巖極限應(yīng)變和圍巖向洞內(nèi)收斂位移速率及收斂比第三個(gè)判據(jù)是圍巖穩(wěn)定的基本判據(jù)。
研究采用的是圍巖強(qiáng)度判據(jù)，圍巖穩(wěn)定判據(jù)的理論是強(qiáng)度破壞理論，如德魯克-普拉格準(zhǔn)則或莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則等，即在低約束壓的條件下，當(dāng)巖體內(nèi)某斜截面的剪應(yīng)力值超過(guò)破壞理論規(guī)定的滑動(dòng)界限范圍時(shí)，巖體就會(huì)發(fā)生剪切屈服破壞。因此，如果將有限元數(shù)值分析結(jié)果繪制成圖線，根據(jù)圍巖在洞室開(kāi)挖成形24小時(shí)后的主應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布(錨桿的長(zhǎng)度要與塑性區(qū)的大小相配合度)，按以往設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，可以定性地判斷圍巖的受力形態(tài)和破壞機(jī)理。
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