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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)模越來越大，鋼管的HD值超過了規(guī)范值，規(guī)范建議的方法不能反映材料的實際承載能力，已越來越難以適應(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)揮材料的實際承載能力的地下埋藏式壓力鋼管強度分析方法，用它來進行管道設(shè)計既安全可靠又經(jīng)濟合理，且具有一定的工程實用價值。地下埋藏式壓力鋼管在長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挖掘進的影響時，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，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)合某實際工程，通過方案比較，揭示了初始地應(yīng)力及開挖支護引起的二次應(yīng)力以及在內(nèi)水壓力作用下鋼襯的彎曲剪切效應(yīng)對地下埋藏式壓力鋼管承載能力的影響。
開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)文獻可以近似考慮開挖面空間效應(yīng)：假定開挖面處因開挖面的空間效應(yīng)在任一時刻釋放了某種比例的釋放力P，當(dāng)開挖面向前推進至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)場資料確定。在缺乏實測資料時，可根據(jù)文獻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支護分析)，剩余的荷載Po-P(x)在支護施作后釋放(按已完成支護來分析)。
在程序的具體實現(xiàn)中，將總反轉(zhuǎn)荷載分為若干增量步逐步加載，當(dāng)累計的荷載小于P(x)時，令噴混凝土及錨桿單元的彈模為一個很小值，即不考慮支護的作用，當(dāng)累計荷載大于或等于P時，令上述單元取正常的彈模值，重新形成新的剛度矩陣，以反映錨杯支護的作用。同濟大學(xué)曾對收集的國內(nèi)外新奧法施工的61條隧洞的197個量測斷面的數(shù)據(jù)資料進行計算分析，歸納提出了以圍巖強度、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判據(jù)是圍巖穩(wěn)定的基本判據(jù)。
研究采用的是圍巖強度判據(jù)，圍巖穩(wěn)定判據(jù)的理論是強度破壞理論，如德魯克-普拉格準則或莫爾-庫侖準則等，即在低約束壓的條件下，當(dāng)巖體內(nèi)某斜截面的剪應(yīng)力值超過破壞理論規(guī)定的滑動界限范圍時，巖體就會發(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)圍巖在洞室開挖成形24小時后的主應(yīng)力分布和塑性區(qū)分布(錨桿的長度要與塑性區(qū)的大小相配合度)，按以往設(shè)計、施工經(jīng)驗，可以定性地判斷圍巖的受力形態(tài)和破壞機理。
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