土木建筑 外文翻譯 ---考慮應(yīng)力釋放的影響

1、<p><b>　　隧道設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　考慮應(yīng)力釋放的影響</b></p><p>　　摘要：在隧道設(shè)計(jì)中，支護(hù)時(shí)間的確定和剛性的支護(hù)體系對(duì)于維持隧道穩(wěn)定是非常重要的，該研究所采用的收斂—約束法來(lái)確定的隧道的應(yīng)力和位移，同時(shí)考慮到了地基承載力反壓力曲線的位移、應(yīng)力釋放的影響以及隧道襯砌和巖石隧道周邊洞室的相互作

2、用，這個(gè)結(jié)論可以確定支護(hù)的時(shí)間和支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。這種方法曾適用于in the Ban Ve Hydroelectric Power Plant．in Nghe An Province．Vietnam 引水隧道。結(jié)果表明，當(dāng)位移u0在0.0865米到0.0919米之間時(shí)取一個(gè)合適的位移值，我們就可以通過(guò)架設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足隧道的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：隧道 支撐結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性 反壓力曲線

3、 應(yīng)力釋放的影響</p><p><b>　　1、引言</b></p><p>　　巖石在自然環(huán)境中，特別是在深部地層當(dāng)中，常常受到上部地層和重力的影響，由于這些因素的影響在巖體當(dāng)中二次應(yīng)力的發(fā)展是非常復(fù)雜，難以界定的。隧道開(kāi)挖過(guò)程中，一部分的巖石通常會(huì)受到來(lái)自隧道洞頂巖石的去除而產(chǎn)生的力—拉應(yīng)力，有時(shí)拉應(yīng)力會(huì)相當(dāng)高，都會(huì)在隧道圍巖的周邊產(chǎn)生，由于巖石開(kāi)挖洞周應(yīng)力的釋

4、放會(huì)導(dǎo)致周邊圍巖的變形，從三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)。在隧道施工過(guò)程中，架設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的目的是為了提高和維持巖體的自承能力，以最大程度的發(fā)揮巖體的承載能力，并且在巖體內(nèi)產(chǎn)生有利于發(fā)展的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)。</p><p>　　1938年，芬納進(jìn)行了上部地層和水力結(jié)構(gòu)相互作用方面的研究，并發(fā)現(xiàn)了基礎(chǔ)的特殊變化曲線和彈塑性介質(zhì)的解決方案。1963年，Pacher進(jìn)行了同樣的研究，并取得了同樣的結(jié)果。當(dāng)隧道設(shè)計(jì)考慮上部地層和水

5、工結(jié)構(gòu)之間的相互作用時(shí)，其結(jié)果采用新奧法（NATM）施工和實(shí)際結(jié)構(gòu)是比較適合的。此外，在隧道設(shè)計(jì)中，隧道襯砌和洞室周?chē)貙又g的相互作用，以及相應(yīng)的地基反壓力曲線，通常被考慮在內(nèi)（Panet和Guenot1982; Panet1995年）。在隧道設(shè)計(jì)中收斂—約束法通常被認(rèn)為是有效的。2007年，在越南Nguyen通過(guò)研究改變地下水壓力載荷，從而影響隧道襯砌的結(jié)構(gòu)，在同一年，Vu和Do也采用收斂—約束的方法對(duì)隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并假定U0為

6、初始變形值。</p><p>　　根據(jù)Fenne（1938年）和Pacher（1963年）的研究，如果一個(gè)剛性支撐結(jié)構(gòu)②（如圖1）架設(shè)的比較及時(shí)，會(huì)因?yàn)殚_(kāi)挖洞室周?chē)冃尾粔虼蠖冗_(dá)到平衡，之后它將會(huì)有更大的承載能力。在Pi曲線外的C點(diǎn)（如圖1），巖石性質(zhì)將變?yōu)榉蔷€性（塑性）。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)①安裝后產(chǎn)生了一定的位移（A點(diǎn)），則該體系達(dá)到與對(duì)隧道襯砌較小的均衡負(fù)載，之后圍巖開(kāi)始松動(dòng)，曲線將達(dá)到其最低值（如圖1中B點(diǎn)），而

7、隧道襯砌壓力則增加的非常快。如果使圍巖變形得到適度發(fā)展后施做支護(hù)結(jié)構(gòu)，則作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力將達(dá)到最小值，將不會(huì)導(dǎo)致隧道的失穩(wěn)。</p><p><b>　　圖1所示：</b></p><p>　　圖1：根據(jù)Fenner(1938)and Pacher(1963)得出圍巖和支護(hù)特征曲線。</p><p>　　式中： Pi—支護(hù)壓力；</

8、p><p><b>　　бr—徑向應(yīng)力；</b></p><p><b>　　Δr—徑向位移；</b></p><p><b>　　ri—隧道半徑；</b></p><p>　　Pia、Pil—分別為內(nèi)、外襯砌的支護(hù)抗力；</p><p>　　這項(xiàng)研究證實(shí)了

9、收斂—約束法再考慮地層反壓力曲線、應(yīng)力釋放效應(yīng)以及隧道襯砌和洞周隧道洞室相互作用條件下，可以確定隧道的應(yīng)力和位移。</p><p><b>　　2、地層結(jié)構(gòu)模式</b></p><p>　　2.1地基反作用力曲線下的應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　事實(shí)上，靜水壓力也就是初始應(yīng)力（側(cè)壓力系數(shù)為1），洞周開(kāi)挖的支護(hù)半徑用ri表示，如圖1所示(Hoek

10、 and Brown 1980)，塑性區(qū)半徑的假設(shè)條件是依據(jù)初始應(yīng)力場(chǎng)的大小P0、支護(hù)壓力Pi和巖石材料的特性而定。</p><p>　　圖2隧道洞周彈塑性應(yīng)力分布圖</p><p>　　塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算公式：</p><p><b>　　其中：P—巖石密度</b></p><p><b>　　g—重力加速度

11、</b></p><p><b>　　H—洞室埋深</b></p><p><b>　　C—巖石的內(nèi)聚力</b></p><p><b>　　—巖石內(nèi)摩擦角</b></p><p>　　彈性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算公式 (r≥re)：</p><p>

12、<b>　　其中：—徑向應(yīng)力；</b></p><p><b>　　—切向應(yīng)力；</b></p><p>　　r—洞周地層任意點(diǎn)離洞室中心的距離；</p><p>　　塑性區(qū)內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算公式 (ri≤ r≤re)：</p><p><b>　　其中：</b></p>

13、<p><b>　　隧道的徑向變形：</b></p><p>　　其中：G—巖體的剪切模量</p><p>　　其中：γ—巖石的泊松比；</p><p>　　Ψ—巖石剪切滑移面的傾角；</p><p>　　2.2隧道洞周沿軸線方向上的徑向位移和應(yīng)力釋放系數(shù)</p><p>　　在掌子

14、面和未開(kāi)挖巖石的影響下，未加固圍巖的最大徑向位移Umax在距離掌子面只有僅僅的一段距離（通常實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是1.53×2ri）。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，兩位研究人員通過(guò)量測(cè)半徑為ri的隧道，建立了Ur/Urmax和距離隧道掌子面距離x之間的關(guān)系，如圖3中所示的彈性模型。1995年P(guān)anet建議采用如下的系數(shù)公式，來(lái)表示Ur/Urmax和X之間的關(guān)系：</p><p>　　其中：λd—應(yīng)力釋放系數(shù)；<

15、/p><p>　　公式（6）適用于x為正值（即前方的掌子面），如圖4所繪。</p><p>　　1998年，Chern在Mingtam電力隧道工程中，做出了在隧道洞穴附近收斂量測(cè)值一覽表，根據(jù)這些測(cè)量的數(shù)據(jù)繪制在圖4所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)上， 1999年Hock建議采用如下的經(jīng)驗(yàn)公式，來(lái)最恰當(dāng)?shù)谋硎綰r/Urmax和X之間的關(guān)系：</p><p>　　圖3表示未支護(hù)隧道ur的徑向位

16、移</p><p>　　圖4從彈性模型派生的最適合隧道測(cè)量的數(shù)據(jù)曲線</p><p>　　2.3支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線</p><p>　　特性曲線顯示了支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐性能（如混凝土、噴射水泥砂漿、巖石錨桿和型鋼），它是根據(jù)支護(hù)壓力Pi和徑向位移ur之間的線性關(guān)系，并應(yīng)用到了沿隧道單位長(zhǎng)度軸線方向上的支護(hù)區(qū)域。</p><p>　　假設(shè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛

17、度為K，則支護(hù)特性曲線的彈性區(qū)域，可以用下列公式計(jì)算：</p><p>　　字典 - 查看字典詳細(xì)內(nèi)容</p><p>　　混凝土及噴射水泥漿結(jié)構(gòu)的剛度系數(shù)為：</p><p>　　其中：Ec—噴射混凝土的彈性模量；</p><p>　　γc—噴射混凝土的泊松比系數(shù)；</p><p><b>　　tc—襯砌厚

18、度；</b></p><p>　　鋼拱支撐的剛度系數(shù)表達(dá)式：</p><p>　　式中：s—鋼拱支撐沿洞周軸向的間距(m)；</p><p>　　θ—振動(dòng)棒之間夾角的一半(o)；</p><p>　　w—夯實(shí)塊的寬度(m)；</p><p>　　As—鋼拱支撐橫截面的面積(m2)；</p>&

19、lt;p>　　Is—鋼拱支撐的慣性矩(m4)；</p><p>　　Es—鋼拱支撐的彈性模量(Mpa)；</p><p>　　tB—墊塊的厚度(m)；</p><p>　　EB—墊塊的彈性模量(Mpa)；</p><p>　　一段長(zhǎng)為lb和直徑為db的機(jī)械式錨桿以及黏結(jié)式錨桿的支護(hù)剛度用如下表達(dá)式計(jì)算：</p><p

20、>　　式中：Sc—錨桿的環(huán)向間距；</p><p>　　S1—錨桿的軸向間距；</p><p><b>　　Q—拉力錨；</b></p><p>　　Eb—錨桿的彈性模量；</p><p><b>　　l—螺栓的凈長(zhǎng)度；</b></p><p>　　當(dāng)采用組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)

21、時(shí)，組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)的組件都假設(shè)在同一時(shí)間被架設(shè)，則組合式支護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度可假定為各部件支護(hù)剛度的總和：</p><p>　　式中：Ks1—第一個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度；</p><p>　　Ks2—第二個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度；</p><p>　　因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)特征曲線公式如下：</p><p>　　式中：up—塑形區(qū)邊緣的徑向位移量；</p>

22、<p>　　uo—開(kāi)挖引起的隧道初始徑向位移量（由應(yīng)力釋放效應(yīng)而定）；</p><p><b>　　3、案例分析</b></p><p>　　3.1、與設(shè)計(jì)參數(shù)相關(guān)的例子</p><p>　　對(duì)the Ban Ve Hydroelectric 水電廠引水隧洞進(jìn)行了一次調(diào)查，得該隧道的材料參數(shù)見(jiàn)表1。</p><

23、p>　　表1 隧道物理力學(xué)參數(shù)</p><p>　　M300噴漿機(jī)噴射厚度為10厘米的水泥漿液和直徑為20毫米、長(zhǎng)度為2米的鋼錨桿組合在一起被應(yīng)用到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，沿隧道洞周的錨桿軸向間距為1.5米，Matlab編程語(yǔ)言被用于計(jì)算當(dāng)中。</p><p>　　3.2、計(jì)算結(jié)果與分析</p><p>　　地層壓力值P=7.3008 MPa.圖.5和6分別表示的塑形內(nèi)和

24、彈性區(qū)的應(yīng)力，從圖5可以看出，最大塑性區(qū)半徑為remax=1.1451 m，因此在彈塑性邊界處壓力值為бre =4.0195 MPa的壓力，這個(gè)最大壓力值是支撐結(jié)構(gòu)所能夠承受的，最大位移P=0.1118米相當(dāng)于Pi=0（無(wú)支護(hù)時(shí)）的大小，圖7表示了在沒(méi)有支護(hù)的情況下，沿隧道軸線方向上的應(yīng)力釋放系數(shù)，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的的初始位移特征曲線如圖8所示。</p><p>　　圖5塑性區(qū)范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力 圖6

25、彈性區(qū)范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力 </p><p>　　圖7無(wú)支護(hù)時(shí)沿隧道軸線方向上 圖8圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)不同初始</p><p>　　洞周的應(yīng)力釋放系數(shù) 位移的特征曲線</p><p>　　基于fenner- Pacher理論和Vietnames地下工程設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)（建設(shè)部2003），我們通過(guò)比較可以得出支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大壓力值（相當(dāng)于彈塑性邊

26、界處的бre應(yīng)力），能承受上述分析結(jié)果的壓力值?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：</p><p>　　當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的初始位移uo=0.083米以下時(shí)可以得出：隧道開(kāi)挖后應(yīng)立即進(jìn)行加固，支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力值Pi=6.902MPa＞бre=4.0195MPa，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)的不及時(shí)，則施加支護(hù)后圍巖將繼續(xù)發(fā)生變形，這將導(dǎo)致圍巖的局部失穩(wěn)。</p><p>　　當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的初始位移uo=0.087米時(shí)，將得到以下

27、結(jié)論：圍巖加固的范圍x為1.7085米，應(yīng)力釋放系數(shù)λd為0.4817。支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力值Pi=3.7818MPa＜бre=4.0195MPa，若圍巖發(fā)生適度變形，則隧道可保持穩(wěn)定。</p><p>　　當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的初始位移uo在0.093米時(shí)，將得到以下結(jié)論：圍巖加固的范圍x為3.74米，應(yīng)力釋放系數(shù)λd為0.7327。支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力值Pi=1.9511MPa≤бre=4.0195MPa，若圍巖發(fā)生很大變形，表明

28、隧道將可能失穩(wěn)。</p><p>　　當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的初始位移uo在0.097米時(shí)，將得到以下結(jié)論：圍巖加固的范圍x為6.8米，應(yīng)力釋放系數(shù)λd為0.868。支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力值Pi=0.9632MPa≤бre=4.0195MPa，若圍巖發(fā)生變形過(guò)大，將導(dǎo)致隧道洞頂巖石的松動(dòng)從而增加圍巖的壓力，則隧道失穩(wěn)。</p><p>　　因此，在上述情況下，我們可以說(shuō)當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移uo在0.0865和0.

29、0919米之間時(shí)，我們可以通過(guò)設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的要求。</p><p><b>　　4、結(jié)論</b></p><p>　　總的來(lái)說(shuō)，在這項(xiàng)研究中所描述的初始位移值uo比2007年Vu and Do假設(shè)的初始位移值uo更準(zhǔn)確、更詳細(xì)，通過(guò)對(duì)比，我們可以得到用應(yīng)力釋放效應(yīng)來(lái)確定uo值的大小，比排除應(yīng)力釋放效應(yīng)提供的曲線方案(Hoek andBrown

30、 1980；Wiliams 1997)更加完整。</p><p>　　上述結(jié)果顯示，對(duì)于確定支護(hù)時(shí)間收斂—約束法是一種比較有效的設(shè)計(jì)方法。這是一種完全不同于傳統(tǒng)隧道的設(shè)計(jì)方法，該方法只適用于早期的圍巖鞏固和隧道開(kāi)挖后襯砌及早支護(hù)，它僅僅考慮到臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)只承受松動(dòng)巖石的載荷，而忽略了巖體自身的承載能力。</p><p>　　然而，這個(gè)結(jié)論僅限于二維彈塑性模型，初始應(yīng)力場(chǎng)（靜力場(chǎng)）和環(huán)形隧道