地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中變溫相似材料的應(yīng)用與溫度影響行為分析

羅 晶, 張 林, 陳 媛, 董建華

(四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、水利水電學(xué)院,四川成都 610065)

1 前 言

在地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中,如何合理模擬地質(zhì)構(gòu)造、選擇模型材料、非常關(guān)鍵。常規(guī)地質(zhì)力學(xué)模型材料通常由重晶石粉、石膏、機(jī)油、添加劑、水等組成,通常只能模擬材料的設(shè)計(jì)值,而無法實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)的降低。變溫相似材料是在常規(guī)模型材料中添加可熔性高分子材料及多種添加劑,通過升溫的辦法使高分子材料熔解從而降低模型材料的強(qiáng)度參數(shù),達(dá)到模型試驗(yàn)中降強(qiáng)的目的。

筆者結(jié)合某高拱壩,著重介紹了變溫相似材料在該工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)中的應(yīng)用。依托變溫相似材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備特性,利用將超載法和強(qiáng)度儲(chǔ)備法相結(jié)合的綜合法試驗(yàn),不僅考慮到工程上可能遇到的突發(fā)洪水(超載),還考慮到工程長期運(yùn)行中巖體及軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)逐步降低的可能(降強(qiáng)),更好地模擬了工程實(shí)際。通過綜合法試驗(yàn),獲得了結(jié)構(gòu)和地基的破壞過程和破壞形態(tài),了解了地基的變形分布特性,分析了地基的極限承載能力及破壞機(jī)理,從而得到模型的綜合穩(wěn)定安全度。

考慮到試驗(yàn)逐級(jí)變溫過程可能會(huì)引起材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變化并在模型中產(chǎn)生一定的溫度附加效應(yīng),可能會(huì)影響到試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,筆者還采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)試驗(yàn)變溫過程進(jìn)行溫度影響行為分析,利用軟件的熱——結(jié)構(gòu)耦合了分析功能,研究應(yīng)用了變溫相似材料的某高拱壩壩肩地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2 變溫相似材料的基本原理及物理參數(shù)的確定

2.1 變溫相似材料的基本原理

變溫相似材料的研制是交叉學(xué)科的滲透,它是在傳統(tǒng)的模型材料中加入適量的可熔性高分子材料及多種添加劑并配置升溫調(diào)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、用于實(shí)現(xiàn)水工模型試驗(yàn)強(qiáng)度儲(chǔ)備的一種新技術(shù)?？扇坌愿叻肿硬牧弦皇瞧鸬搅搜a(bǔ)強(qiáng)的作用,二是形成了巖體及結(jié)構(gòu)面變溫相似材料,以便用于試驗(yàn)中的強(qiáng)度儲(chǔ)備。升溫調(diào)控系統(tǒng)采用調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)電壓,提供熱能供應(yīng)源,調(diào)整電壓使電阻絲的溫度隨著電壓的高低不同而發(fā)生變化。溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用溫度巡回檢測(cè)儀及熱電偶測(cè)試各部位的溫度值及溫度變化情況。

試驗(yàn)中可通過升溫調(diào)控系統(tǒng)和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐級(jí)升溫,使高分子材料逐步熔解,通過熱效應(yīng)產(chǎn)生材料力學(xué)效應(yīng)的變化,從而達(dá)到模型材料的力學(xué)參數(shù)隨著溫度的升高而逐步降低的目的,且在一定的溫度變化范圍內(nèi),原型和模型材料的力學(xué)特性仍然保持相似。

2.2 物理參數(shù)的確定

2.2.1 力學(xué)參數(shù)的確定

在模型試驗(yàn)之前,首先要進(jìn)行大量的材料試驗(yàn),研究變溫相似材料的力學(xué)參數(shù)與溫度變化的關(guān)系。試驗(yàn)在恒溫室進(jìn)行,室溫與試驗(yàn)穩(wěn)定溫度相同,分別測(cè)定試件的抗剪斷強(qiáng)度 τm、摩擦系數(shù)fm、粘聚力 cm與溫度 T的關(guān)系曲線,用以判定模型試驗(yàn)中的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù) K2。

圖1 巖體模型材料 τm～T關(guān)系曲線圖

以抗剪斷強(qiáng)度 τm參數(shù)為例,圖 1為溪洛渡電站巖體模型材料 τm-T關(guān)系曲線。由關(guān)系曲線可以看出,變溫相似材料的 τm-T關(guān)系曲線呈現(xiàn)反比關(guān)系,說明隨著溫度的升高,τm有規(guī)律的降低。因此,應(yīng)用變溫相似材料可以實(shí)現(xiàn)材料的強(qiáng)度降低,并可獲得強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù) K2。

2.2.2 熱物理參數(shù)的確定

利用 ANSYS有限元軟件進(jìn)行熱分析時(shí),需要確定材料的熱物理參數(shù):導(dǎo)熱系數(shù) K、比熱 C和線膨脹系數(shù) α,其中線膨脹系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響尤為敏感,導(dǎo)熱系數(shù) K、比熱 C則可通過類比獲得。以下對(duì)變溫相似材料的線膨脹系數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。

常溫下材料的線度隨溫度變化可用經(jīng)驗(yàn)公式表示:

其中 α為固體的線膨脹系數(shù),其物理意義是溫度每升高 1℃時(shí),物體的相對(duì)伸長量;L0為 t=0℃時(shí)的長度。

實(shí)際測(cè)量時(shí),測(cè)得物體在室溫 t1℃時(shí)的長度及溫度升到 t2℃時(shí)其長度伸長量 δL,經(jīng)推導(dǎo),得:

當(dāng) t1、t2較小時(shí),并因其與 δL相比甚小,故:

由式 3得到的 α是材料在溫度 t1-t2間的平均線膨脹系數(shù)。試驗(yàn)中的關(guān)鍵是測(cè)出 δL。

材料試驗(yàn)通過隨機(jī)取樣(三個(gè)試件一組)測(cè)得每個(gè)試件在兩相鄰溫度變化間的線膨脹系數(shù)和平均線膨脹系數(shù)(表 1)。

表1 變溫相似材料線膨脹系數(shù)表

為減小試驗(yàn)的系統(tǒng)誤差,材料的線膨脹系統(tǒng)應(yīng)取用平均值?？紤]到組合試件間的微小裂隙對(duì)應(yīng)力有一定的釋放作用,且在模型試驗(yàn)中,材料的最大線膨脹系數(shù)出現(xiàn)在溫度最高,試件變軟時(shí),此時(shí)模型在外力的作用下已破壞,因此綜合分析,材料的線膨脹系數(shù)取用平均值范圍內(nèi)的較小值,為:2.07×10-8。

3 地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

溪洛渡水電站是位于金沙江上的重要梯級(jí)電站。該工程大壩為混凝土拋物線雙曲拱壩,最大壩高 278m。壩區(qū)河道順直,岸坡陡峻,呈對(duì)稱的“U”型,兩岸山體雄厚,地形完整,無溝谷切割。拱壩壩肩及抗力體部位巖體由 4～12層峨眉山玄武巖巖流層組成。同一巖流層厚度相對(duì)穩(wěn)定,起伏差一般小于 3～5m。層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶發(fā)育,為壩區(qū)工程地質(zhì)條件相對(duì)較弱的部位,是影響壩肩穩(wěn)定的主要因素。

3.2 巖體、斷、夾層模擬新技術(shù)的應(yīng)用

針對(duì)溪洛渡水電站地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn),根據(jù)相似原理建立了比例尺為 1∶300的地質(zhì)力學(xué)模型。模型模擬的重點(diǎn)是對(duì)穩(wěn)定起控制作用的層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶及可能形成側(cè)滑面的陡傾角不連續(xù)節(jié)理組的模擬,且要反映出巖流層的各向異性。為此,研制了適合該工程的系列變溫相似材料。

巖體變溫相似材料采用重晶石粉、機(jī)油、可熔性高分子材料等按一定的配比制成混合料,再壓制成預(yù)定的小塊體備用。在砌筑組合塊體時(shí),塊體的走向及傾角要按照巖層的產(chǎn)狀鋪設(shè),忽略起伏差影響。組合塊體的每層之間采用錯(cuò)縫砌塊,其作用一是為了體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的巖體均勻性,二是模擬巖體中的節(jié)理裂隙。模型砌筑過程中,需要在組合塊體層間埋設(shè)一定直徑的電阻絲作為加熱設(shè)備,埋設(shè)前需合理設(shè)計(jì),既要保證各升溫層受熱均衡,又要注意避免產(chǎn)生加筑作用。此外,還需埋設(shè)熱電偶,用于溫度的監(jiān)測(cè)。

由于層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶每層的厚度小,故采用添加了高分子材料及輔助材料的細(xì)料鋪填壓實(shí)法制模。在鋪填的細(xì)料中每隔一定間距埋設(shè)電阻絲及熱電偶。

對(duì)穩(wěn)定起控制作用的陡傾角側(cè)滑面及規(guī)律性的節(jié)理裂隙組有時(shí)僅采用錯(cuò)縫砌塊不能準(zhǔn)確模擬,為此,選用高分子聚合物及若干種添加劑配制了不連續(xù)節(jié)理面粘接劑,依據(jù)連通率和抗剪斷參數(shù)進(jìn)行了節(jié)理面粘接,通過布置在結(jié)構(gòu)面上的電阻絲進(jìn)行升溫降強(qiáng),配合使用巖體及斷層變溫相似材料便可反映不連續(xù)節(jié)理面中巖橋的抗剪斷強(qiáng)度指標(biāo)變化過程,滿足相似性要求。

3.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果

通過強(qiáng)度儲(chǔ)備和超載相結(jié)合的綜合法,先在一倍正常荷載的基礎(chǔ)上,將壩肩巖體及層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶等強(qiáng)度降低至一定值,再進(jìn)行超載階段試驗(yàn),直至破壞失穩(wěn)為止。

試驗(yàn)成果表明:(1)溪洛渡水電站拱壩壩肩綜合穩(wěn)定安全度為 6.3,滿足壩肩壩基整體穩(wěn)定要求。(2)壩基以下各層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的相對(duì)位移值△δ自上而下逐層減小,愈接近壩基面的錯(cuò)動(dòng)帶對(duì)穩(wěn)定影響愈大;受其影響,壩底部的變位較大,因此,建議加強(qiáng)對(duì)壩基的處理。(3)受層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶影響,兩壩肩及抗力體中下部區(qū)域破壞較重;壩體在向下游變位的同時(shí),在水平面內(nèi)呈現(xiàn)明顯地順時(shí)針向轉(zhuǎn)動(dòng)變位,從而導(dǎo)致左岸破壞重、右岸破壞相對(duì)較輕;因此,建議對(duì)壩肩及抗力體中下部進(jìn)行處理,尤其是對(duì)左岸進(jìn)行處理。

4 溫度影響行為分析

模型試驗(yàn)升溫降強(qiáng)過程中產(chǎn)生的溫度附加效應(yīng)可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響,為此,應(yīng)用 ANSYS軟件非線性結(jié)構(gòu)分析原理和熱分析及熱——結(jié)構(gòu)耦合分析原理,針對(duì)本次模型試驗(yàn)進(jìn)行了溫度影響行為分析。

計(jì)算中,取溪洛渡水電站高拱壩 440m高程的平切面為研究對(duì)象,建立有限元模型(圖 2)。[8]數(shù)值分析采用兩個(gè)對(duì)比方案及一個(gè)補(bǔ)充方案,計(jì)算由于溫度升高引起的溫度附加效應(yīng)。

4.1 ANSYS計(jì)算方案

方案一 :一倍正常荷載作用下,降低材料強(qiáng)度,不計(jì)入溫度附加效應(yīng)的影響;

方案二 :一倍正常荷載作用下,降低材料強(qiáng)度,計(jì)入溫度附加效應(yīng)的影響;

圖2 ANSYS計(jì)算模型網(wǎng)格圖

方案三 :在無外荷載作用下,升高溫度,降低材料強(qiáng)度,分析產(chǎn)生的溫度附加效應(yīng)。

其中,方案一是在恒溫作用下的非線性結(jié)構(gòu)分析;方案二為熱-結(jié)構(gòu)耦合分析;方案三是單純分析溫度對(duì)該模型的影響。對(duì)方案一、二的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,可得到強(qiáng)度儲(chǔ)備試驗(yàn)降強(qiáng)過程中溫度附加效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)成果的影響程度。方案三單獨(dú)分析了溫度附加效應(yīng)。通過對(duì)三個(gè)方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理分析,對(duì)模型試驗(yàn)降強(qiáng)過程中產(chǎn)生溫度附加效應(yīng)進(jìn)行了影響行為分析。

4.2 溫度附加效應(yīng)影響行為分析

利用自編程序處理 ANSYS計(jì)算結(jié)果,繪制溫度附加效應(yīng)的影響行為曲線,取具有代表性的點(diǎn)的變位、應(yīng)力過程線及方案一、二的比較圖(圖 3、4)。

經(jīng)比較得出:

(1)應(yīng)力變化:同種荷載變化情況下,左岸拉應(yīng)力在增加,壓應(yīng)力在減小,右岸拉、壓應(yīng)力均在減小,與地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果在規(guī)律上一致。選取相應(yīng)節(jié)點(diǎn)比較,溫度附加效應(yīng)對(duì)應(yīng)力的影響約為 -6%～9%。

圖3 強(qiáng)度儲(chǔ)備過程中(方案二與方案一)壩肩各部分位移相對(duì)變化圖

圖4 強(qiáng)度儲(chǔ)備過程中(方案二與方案一)壩肩各部分應(yīng)力相對(duì)變化圖

(2)位移變化:同種載荷下,位移變化均隨著溫度的升高而增大,但變幅不大,與地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果在規(guī)律上一致。同級(jí)溫度相比,不計(jì)入溫度影響(方案一)比計(jì)入溫度影響(方案二)橫河向和順河向的位移大,溫度附加效應(yīng)對(duì)位移的影響約為 6%。結(jié)合方案三,可以認(rèn)為是由溫度引起巖體及拱圈的膨脹變位方向與結(jié)構(gòu)在水壓力和淤沙壓力等荷載作用所引起的變位相反造成的。

(3)計(jì)算成果顯示:溫度升高到 55℃前,變位、應(yīng)力變化較穩(wěn)定;溫度超過 80℃時(shí),溫度附加效應(yīng)超出預(yù)期影響范圍。由材料的 τm～T曲線可以看出,升至 55℃～75℃,曲線變化趨于平緩,75℃后曲線的變化顯著增大,說明材料性質(zhì)(包括線膨脹系數(shù))變化速率增大,從而導(dǎo)致其承載能力顯著降低。

(4)ANSYS計(jì)算分析沒有考慮上下巖體對(duì)該平切面的作用,但拱圈和巖體的位移變化及變形形態(tài)與地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)在規(guī)律上一致,由此說明 ANSYS計(jì)算分析的結(jié)果符合工程實(shí)際規(guī)律,值得工程參考。

5 結(jié)論及建議

(1)變溫相似材料應(yīng)用于地質(zhì)力學(xué)模型綜合法試驗(yàn)中,通過升溫降強(qiáng),模擬了長期運(yùn)行中巖體強(qiáng)度降低的演化過程,又通過超載,模擬了超正常標(biāo)準(zhǔn)水位的出現(xiàn),故能較真實(shí)、直觀地反映實(shí)際工程情況。

(2)針對(duì)升溫降強(qiáng)過程中產(chǎn)生的溫度附加效應(yīng),利用 ANSYS軟件進(jìn)行了影響行為分析,其結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi),溫度附加效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中變位的影響約為 6%,對(duì)應(yīng)力的影響約為-6%～9%,且溫度越低,這種影響程度就越小。應(yīng)用變溫相似材料的模型試驗(yàn),升高溫度不宜超出 75℃。

(3)溪洛渡拱壩壩肩整體地質(zhì)力學(xué)綜合法模型試驗(yàn)中采用了變溫相似材料,試驗(yàn)結(jié)果表明,壩肩的綜合穩(wěn)定安全度 K為 6.3。

(4)受層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶的影響,超載后期,壩基面徑向變位較大,兩壩肩及抗力體中下部區(qū)域破壞較重,尤以左壩肩為甚,因此,采取相應(yīng)的加固處理措施是十分必要的。

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