地质力学模型试验中变温相似材料的应用与温度影响行为分析

罗 晶, 张 林, 陈 媛, 董建华

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室、水利水电学院,四川成都 610065)

1 前 言

在地质力学模型试验中,如何合理模拟地质构造、选择模型材料、非常关键。常规地质力学模型材料通常由重晶石粉、石膏、机油、添加剂、水等组成,通常只能模拟材料的设计值,而无法实现力学参数的降低。变温相似材料是在常规模型材料中添加可熔性高分子材料及多种添加剂,通过升温的办法使高分子材料熔解从而降低模型材料的强度参数,达到模型试验中降强的目的。

笔者结合某高拱坝,着重介绍了变温相似材料在该工程地质力学模型试验中的应用。依托变温相似材料的强度储备特性,利用将超载法和强度储备法相结合的综合法试验,不仅考虑到工程上可能遇到的突发洪水(超载),还考虑到工程长期运行中岩体及软弱结构面力学参数逐步降低的可能(降强),更好地模拟了工程实际。通过综合法试验,获得了结构和地基的破坏过程和破坏形态,了解了地基的变形分布特性,分析了地基的极限承载能力及破坏机理,从而得到模型的综合稳定安全度。

考虑到试验逐级变温过程可能会引起材料结构内部的变化并在模型中产生一定的温度附加效应,可能会影响到试验结果的可靠性,笔者还采用ANSYS有限元分析软件对试验变温过程进行温度影响行为分析,利用软件的热——结构耦合了分析功能,研究应用了变温相似材料的某高拱坝坝肩地质力学模型试验结果的可靠性。

2 变温相似材料的基本原理及物理参数的确定

2.1 变温相似材料的基本原理

变温相似材料的研制是交叉学科的渗透,它是在传统的模型材料中加入适量的可熔性高分子材料及多种添加剂并配置升温调控系统和温度监测系统、用于实现水工模型试验强度储备的一种新技术。可熔性高分子材料一是起到了补强的作用,二是形成了岩体及结构面变温相似材料,以便用于试验中的强度储备。升温调控系统采用调压变压器调节电压,提供热能供应源,调整电压使电阻丝的温度随着电压的高低不同而发生变化。温度监测系统采用温度巡回检测仪及热电偶测试各部位的温度值及温度变化情况。

试验中可通过升温调控系统和温度监测系统逐级升温,使高分子材料逐步熔解,通过热效应产生材料力学效应的变化,从而达到模型材料的力学参数随着温度的升高而逐步降低的目的,且在一定的温度变化范围内,原型和模型材料的力学特性仍然保持相似。

2.2 物理参数的确定

2.2.1 力学参数的确定

在模型试验之前,首先要进行大量的材料试验,研究变温相似材料的力学参数与温度变化的关系。试验在恒温室进行,室温与试验稳定温度相同,分别测定试件的抗剪断强度 τm、摩擦系数fm、粘聚力 cm与温度 T的关系曲线,用以判定模型试验中的强度储备系数 K2。

图1 岩体模型材料 τm～T关系曲线图

以抗剪断强度 τm参数为例,图 1为溪洛渡电站岩体模型材料 τm-T关系曲线。由关系曲线可以看出,变温相似材料的 τm-T关系曲线呈现反比关系,说明随着温度的升高,τm有规律的降低。因此,应用变温相似材料可以实现材料的强度降低,并可获得强度储备系数 K2。

2.2.2 热物理参数的确定

利用 ANSYS有限元软件进行热分析时,需要确定材料的热物理参数:导热系数 K、比热 C和线膨胀系数 α,其中线膨胀系数对计算结果的影响尤为敏感,导热系数 K、比热 C则可通过类比获得。以下对变温相似材料的线膨胀系数进行推导。

常温下材料的线度随温度变化可用经验公式表示:

其中 α为固体的线膨胀系数,其物理意义是温度每升高 1℃时,物体的相对伸长量;L0为 t=0℃时的长度。

实际测量时,测得物体在室温 t1℃时的长度及温度升到 t2℃时其长度伸长量 δL,经推导,得:

当 t1、t2较小时,并因其与 δL相比甚小,故:

由式 3得到的 α是材料在温度 t1-t2间的平均线膨胀系数。试验中的关键是测出 δL。

材料试验通过随机取样(三个试件一组)测得每个试件在两相邻温度变化间的线膨胀系数和平均线膨胀系数(表 1)。

表1 变温相似材料线膨胀系数表

为减小试验的系统误差,材料的线膨胀系统应取用平均值。考虑到组合试件间的微小裂隙对应力有一定的释放作用,且在模型试验中,材料的最大线膨胀系数出现在温度最高,试件变软时,此时模型在外力的作用下已破坏,因此综合分析,材料的线膨胀系数取用平均值范围内的较小值,为:2.07×10-8。

3 地质力学模型试验应用实例

3.1 工程概况

溪洛渡水电站是位于金沙江上的重要梯级电站。该工程大坝为混凝土抛物线双曲拱坝,最大坝高 278m。坝区河道顺直,岸坡陡峻,呈对称的“U”型,两岸山体雄厚,地形完整,无沟谷切割。拱坝坝肩及抗力体部位岩体由 4～12层峨眉山玄武岩岩流层组成。同一岩流层厚度相对稳定,起伏差一般小于 3～5m。层间层内错动带发育,为坝区工程地质条件相对较弱的部位,是影响坝肩稳定的主要因素。

3.2 岩体、断、夹层模拟新技术的应用

针对溪洛渡水电站地质构造特点,根据相似原理建立了比例尺为 1∶300的地质力学模型。模型模拟的重点是对稳定起控制作用的层间、层内错动带及可能形成侧滑面的陡倾角不连续节理组的模拟,且要反映出岩流层的各向异性。为此,研制了适合该工程的系列变温相似材料。

岩体变温相似材料采用重晶石粉、机油、可熔性高分子材料等按一定的配比制成混合料,再压制成预定的小块体备用。在砌筑组合块体时,块体的走向及倾角要按照岩层的产状铺设,忽略起伏差影响。组合块体的每层之间采用错缝砌块,其作用一是为了体现区域内的岩体均匀性,二是模拟岩体中的节理裂隙。模型砌筑过程中,需要在组合块体层间埋设一定直径的电阻丝作为加热设备,埋设前需合理设计,既要保证各升温层受热均衡,又要注意避免产生加筑作用。此外,还需埋设热电偶,用于温度的监测。

由于层间、层内错动带每层的厚度小,故采用添加了高分子材料及辅助材料的细料铺填压实法制模。在铺填的细料中每隔一定间距埋设电阻丝及热电偶。

对稳定起控制作用的陡倾角侧滑面及规律性的节理裂隙组有时仅采用错缝砌块不能准确模拟,为此,选用高分子聚合物及若干种添加剂配制了不连续节理面粘接剂,依据连通率和抗剪断参数进行了节理面粘接,通过布置在结构面上的电阻丝进行升温降强,配合使用岩体及断层变温相似材料便可反映不连续节理面中岩桥的抗剪断强度指标变化过程,满足相似性要求。

3.3 试验过程及结果

通过强度储备和超载相结合的综合法,先在一倍正常荷载的基础上,将坝肩岩体及层间、层内错动带等强度降低至一定值,再进行超载阶段试验,直至破坏失稳为止。

试验成果表明:(1)溪洛渡水电站拱坝坝肩综合稳定安全度为 6.3,满足坝肩坝基整体稳定要求。(2)坝基以下各层间、层内错动带的相对位移值△δ自上而下逐层减小,愈接近坝基面的错动带对稳定影响愈大;受其影响,坝底部的变位较大,因此,建议加强对坝基的处理。(3)受层间、层内错动带影响,两坝肩及抗力体中下部区域破坏较重;坝体在向下游变位的同时,在水平面内呈现明显地顺时针向转动变位,从而导致左岸破坏重、右岸破坏相对较轻;因此,建议对坝肩及抗力体中下部进行处理,尤其是对左岸进行处理。

4 温度影响行为分析

模型试验升温降强过程中产生的温度附加效应可能对试验结果有一定影响,为此,应用 ANSYS软件非线性结构分析原理和热分析及热——结构耦合分析原理,针对本次模型试验进行了温度影响行为分析。

计算中,取溪洛渡水电站高拱坝 440m高程的平切面为研究对象,建立有限元模型(图 2)。[8]数值分析采用两个对比方案及一个补充方案,计算由于温度升高引起的温度附加效应。

4.1 ANSYS计算方案

方案一 :一倍正常荷载作用下,降低材料强度,不计入温度附加效应的影响;

方案二 :一倍正常荷载作用下,降低材料强度,计入温度附加效应的影响;

图2 ANSYS计算模型网格图

方案三 :在无外荷载作用下,升高温度,降低材料强度,分析产生的温度附加效应。

其中,方案一是在恒温作用下的非线性结构分析;方案二为热-结构耦合分析;方案三是单纯分析温度对该模型的影响。对方案一、二的计算结果进行对比分析,可得到强度储备试验降强过程中温度附加效应对试验成果的影响程度。方案三单独分析了温度附加效应。通过对三个方案计算结果进行处理分析,对模型试验降强过程中产生温度附加效应进行了影响行为分析。

4.2 温度附加效应影响行为分析

利用自编程序处理 ANSYS计算结果,绘制温度附加效应的影响行为曲线,取具有代表性的点的变位、应力过程线及方案一、二的比较图(图 3、4)。

经比较得出:

(1)应力变化:同种荷载变化情况下,左岸拉应力在增加,压应力在减小,右岸拉、压应力均在减小,与地质力学模型试验结果在规律上一致。选取相应节点比较,温度附加效应对应力的影响约为 -6%～9%。

图3 强度储备过程中(方案二与方案一)坝肩各部分位移相对变化图

图4 强度储备过程中(方案二与方案一)坝肩各部分应力相对变化图

(2)位移变化:同种载荷下,位移变化均随着温度的升高而增大,但变幅不大,与地质力学模型试验结果在规律上一致。同级温度相比,不计入温度影响(方案一)比计入温度影响(方案二)横河向和顺河向的位移大,温度附加效应对位移的影响约为 6%。结合方案三,可以认为是由温度引起岩体及拱圈的膨胀变位方向与结构在水压力和淤沙压力等荷载作用所引起的变位相反造成的。

(3)计算成果显示:温度升高到 55℃前,变位、应力变化较稳定;温度超过 80℃时,温度附加效应超出预期影响范围。由材料的 τm～T曲线可以看出,升至 55℃～75℃,曲线变化趋于平缓,75℃后曲线的变化显著增大,说明材料性质(包括线膨胀系数)变化速率增大,从而导致其承载能力显著降低。

(4)ANSYS计算分析没有考虑上下岩体对该平切面的作用,但拱圈和岩体的位移变化及变形形态与地质力学模型试验在规律上一致,由此说明 ANSYS计算分析的结果符合工程实际规律,值得工程参考。

5 结论及建议

(1)变温相似材料应用于地质力学模型综合法试验中,通过升温降强,模拟了长期运行中岩体强度降低的演化过程,又通过超载,模拟了超正常标准水位的出现,故能较真实、直观地反映实际工程情况。

(2)针对升温降强过程中产生的温度附加效应,利用 ANSYS软件进行了影响行为分析,其结果表明:在设计温度范围内,温度附加效应对试验结果中变位的影响约为 6%,对应力的影响约为-6%～9%,且温度越低,这种影响程度就越小。应用变温相似材料的模型试验,升高温度不宜超出 75℃。

(3)溪洛渡拱坝坝肩整体地质力学综合法模型试验中采用了变温相似材料,试验结果表明,坝肩的综合稳定安全度 K为 6.3。

(4)受层间、层内错动带的影响,超载后期,坝基面径向变位较大,两坝肩及抗力体中下部区域破坏较重,尤以左坝肩为甚,因此,采取相应的加固处理措施是十分必要的。

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