CN114383957B - 岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法 - Google Patents

岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，包括岩石基坑有限差分计算、抗浮牛腿附近应力提取、抗浮牛腿附近内力计算、剪切试件边界条件转化及剪切试件边界条件实现5个步骤，能准确得到抗浮牛腿附近的受力情况，进一步指导岩石基坑抗浮牛腿剪切试验设计与边界条件确定，并借助约束装置和加载装置，实现剪切试件的边界条件施加，保证剪切试验结果的准确。

Description

岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法
技术领域
本发明涉及岩土试验技术领域，具体涉及一种岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法。
背景技术
岩石基坑，是指在岩层中修建的基坑，与土质基坑相比，岩石基坑抵抗变形能力及自稳能力强，但同时地质环境更加复杂，失稳破坏情况受节理面影响显著。
考虑岩石基坑抵抗变形能力强的特点，工程界首次提出可在地下结构侧墙底部设置混凝土抗浮牛腿，通过抗浮牛腿和上方岩石之间的剪切来实现地下结构抗浮，如图1所示。为探寻抗浮牛腿作用机理与作用效果，以及破坏模式与破坏特征，需要对抗浮牛腿局部进行详细的研究与分析，以期为工程实践提供理论基础。
室内试验具有研究手段科学可靠、研究结果直观可视的优点，始终是各界研究人员的主要研究手段之一。通过设计岩石基坑抗浮牛腿剪切试验，可直观反映抗浮牛腿的工作原理与破坏模式，为工程实践提供指导与帮助。与常规剪切试验不同，岩石基坑抗浮牛腿剪切试验为基于实际工程，按照一定比例进行缩尺后的剪切试验，在满足剪切试验规程和岩石剪切流变试验机操作说明的同时，还需要考虑剪切试件实际的位移边界条件与荷载边界条件。而目前尚无抗浮牛腿剪切试验边界条件，尤其是荷载边界条件的确定方法，更无进一步实现抗浮牛腿剪切试验边界条件的实现方法，解决上述两个问题是顺利进行岩石基坑抗浮牛腿剪切试验的关键。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，可准确确定抗浮牛腿剪切试验的边界条件，并实现抗浮牛腿剪切试验边界条件的施加，确保岩石基坑抗浮牛腿剪切试验结果准确。
一种岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，包括以下步骤：
建立岩石基坑数值计算模型，得到岩石基坑的应力应变及变形变化规律；
对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取；
计算抗浮牛腿上方及侧方截面处的轴力、剪力和弯矩；
根据尺寸相似比尺，将抗浮牛腿实际内力值进行换算，得到作用在剪切试件上的荷载边界条件；
对剪切试件的荷载边界条件作出简化与转化，并设计约束装置和加载装置，约束装置约束剪切试验过程中剪切试件的膨胀效应，试验机顶压约束装置为剪切试件施加轴向偏心压力，加载装置对剪切试件施加弯矩。
在其中一个实施例中，所述建立岩石基坑数值计算模型，得到岩石基坑的应力应变及变形变化规律的步骤具体为：
采用数值计算软件建立岩石基坑数值计算模型，得到基坑开挖、主体结构建造及地下水位恢复全过程岩石基坑的应力应变及变形变化规律。
在其中一个实施例中，岩石基坑数值计算模型的网格划分大于等于两层网格。
在其中一个实施例中，所述对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取的步骤具体为：
采用数值计算软件内置的用户开发模块，编写计算程序对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取。
在其中一个实施例中，编写计算程序对应力进行提取的方法具体为：
将需要提取应力的单元号存入一个文本文件；
建立第一数组和第二数组；
读取文本文件中的单元号写入到第一数组中；
在第二数组设定应力值记录格式；
遍历模型中的所有单元，当读取到的单元号在第一数组中时，读取该单元对应的应力值并写入第二数组；
将第二数组中记录的所有应力值输出为一个文本文件。
在其中一个实施例中，对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取的步骤之后还包括：
根据单元截面角度以及单元受力平衡关系，计算单元截面的正应力和切应力。
在其中一个实施例中，所述计算抗浮牛腿上方及侧方截面处的轴力、剪力和弯矩的步骤具体为：
根据单元截面上的正应力、单元截面宽度和单元截面高度计算构件截面上的轴力；
根据单元截面上的切应力、单元截面宽度和单元截面高度计算构件截面上的剪力；
根据单元截面上的正应力、单元截面宽度、单元截面高度和单元截面中心到构件截面中心的距离，计算构件截面上的弯矩。
在其中一个实施例中，抗浮牛腿和岩石保持相对位置及工作原理不变进行转向，使抗浮牛腿层叠在岩石上，位移边界条件确定为竖向局部刚性约束，水平向为剪切向，不做任何约束。
在其中一个实施例中，所述对剪切试件的荷载边界条件作出简化与转化的步骤具体为：
忽略与剪切方向一致的力，砼和岩均为刚体，弯矩可移至形心处，并替换为一对大小相同方向相反的作用力。
在其中一个实施例中，所述剪切试件包括混凝土试件和岩石试件，所述混凝土试件层叠在所述岩石试件上，且所述混凝土试件延伸超出所述岩石试件形成延伸部，以便实现所述边界条件；
所述约束装置包括第一连接板、第二连接板、滚动体、底板及第一连接螺栓，所述第一连接板贴合所述混凝土试件的顶面，所述第二连接板贴合所述岩石试件的底面，所述第二连接板承载于所述底板上，所述滚动体安装于所述第二连接板和所述底板之间，所述第一连接螺栓连接所述第一连接板和所述底板；和\或
所述加载装置包括第一安装板、第二安装板、第二连接螺栓及拉力计，所述第一安装板贴合所述延伸部的顶面，所述第二安装板贴合所述延伸部的底面，所述第二连接螺栓连接所述第一安装板和所述第二安装板，所述拉力计连接所述第一安装板，且所述拉力计与试验机连接。
上述岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，能准确得到抗浮牛腿附近的受力情况，进一步指导岩石基坑抗浮牛腿剪切试验设计与边界条件确定，并借助约束装置和加载装置，实现剪切试件的边界条件施加，保证剪切试验结果的准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为岩石基坑抗浮牛腿的示意图；
图2为一实施方式中岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法的流程图；
图3为一实施例中岩石基坑抗浮牛腿三维数值计算模型；
图4为抗浮牛腿上方、侧方截面的受力情况示意图；
图5为应力提取计算程序流程图；
图6为单元截面正应力与切应力计算简图；
图7为构件截面轴力、剪力、弯矩计算简图；
图8为计算出的构件截面轴力、剪力、弯矩值；
图9为剪切试件截面轴力、剪力、弯矩值；
图10为剪切试件在试验机上进行剪切试验的示意图
图11为简化后的剪切试件荷载边界条件；
图12为剪切试件上安装约束装置和加载装置的示意图；
图13为约束装置的结构示意图；
图14为加载装置的结构示意图。
附图标记：
12-岩石试件，14-混凝土试件，16-延伸部，20-约束装置，21-第一连接板，22-第二连接板，23-滚动体，24-底板，25-第一连接螺栓，30-加载装置，31-第一安装板，32-第二安装板，33-第二连接螺栓，34-拉力计，40-试验机，42-轴向加载机构。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图2，一实施方式中的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，包括以下步骤：
步骤S110：建立岩石基坑数值计算模型，得到岩石基坑的应力应变及变形变化规律。
具体地，采用数值计算软件建立岩石基坑数值计算模型，得到基坑开挖、主体结构建造及地下水位恢复全过程岩石基坑的应力应变及变形变化规律。一实施方式中，数值计算软件采用有限差分软件FLAC3D5.0。可以理解的是，也可以采用其他能够实现该目的的软件，如有限元软件ANSYS、ABAQUS、Midas GTS NX等。
请一并参阅图3，岩石基坑数值计算模型对基坑开挖、主体结构建造及地下水位恢复全过程进行了还原，模拟过程中，地质条件和水文条件均参考实际地勘资料，开挖方案、降水方案、支护结构施作方案等均与实际工程一致，以尽可能真实地还原实际情况。值得注意的是，为便于后续抗浮牛腿附近应力提取，主体结构网格应划分成大于等于两层的网格，同时，网格应尽量规整，避免由于网格质量不高而导致的计算结果偏差。
步骤S120：对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取。
请一并参阅图4，具体地，在岩石基坑三维数值计算结果的基础上，对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取。采用数值计算软件内置的用户开发模块，编写计算程序对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取。在一实施方式中，采用有限差分软件FLAC3D5.0内置的Fish语言编写计算程序。
请一并参阅图5，在一实施方式这种，编写计算程序对应力进行提取的方法具体为：
S1、将需要提取应力的单元号存入一个文本文件。
在具体的实施方式中，将需要提取应力的单元号输入到zid.txt文本文件中并保存。
S2、建立第一数组和第二数组。
采用数值计算软件内置的用户开发模块，建立的第一数组id(n)用于存储单元号，第二数组stress(n+1)用于存储应力值，其中n为单元数。
S3、读取文本文件中的单元号写入到第一数组中。
在具体的实施方式中，读取zid.txt文本文件中的单元号，写入到第一数组id(n)中。
S4、在第二数组设定应力值记录格式。
在具体的实施方式中，在第二数组stress(n+1)的第一行依次输入单元号、各类应力值的字段，设定应力值记录格式；具体为“id sxx syy szz syz sxz”，各字段之间以TAB键隔开。
S5、遍历模型中的所有单元，当读取到的单元号在第一数组中时，读取该单元对应的应力值并写入第二数组。
在具体的实施方式中，读取模型中的单元，当读取到的单元号在第一数组id(n)中时，读取该单元对应的应力值并写入第二数组stress(n+1)。
遍历模型中的所有单元，将单元号在第一数组id(n)中的多个单元对应的多个应力值均写入第二数组stress(n+1)中。
S6、将第二数组中记录的所有应力值输出为一个文本文件。
在具体的实施方式中，将第二数组中stress(n+1)记录的所有应力值输出为zstress.txt文本文件。
请一并参阅图6，在一实施方式中，在对抗浮牛腿附近应力进行提取以后，根据单元截面角度以及单元受力平衡关系，计算单元截面的正应力与切应力。具体地，通过公式(1)和(2)计算单元截面的正应力与切应力：
其中，σθ为单元截面上的正应力，τθ为单元截面上的切应力，σx为单元截面上x向的正应力，σy为单元截面上y向的正应力，τxy为单元截面上的切应力，θ为单元截面外法线与水平方向的夹角，取值范围为0≤θ≤90°，θ＝arctan[(x2-x1)/(y2-y1)]，x1，x2为单元节点1，2的横坐标，y1，y2为单元节点1，2的纵坐标。
步骤S130：计算抗浮牛腿上方及侧方截面处的轴力、剪力和弯矩。
具体地，基于材料力学中构件应力、内力间的关系，计算抗浮牛腿上方及侧方截面处的轴力、剪力和弯矩。其中，根据单元截面上的正应力、单元截面宽度和单元截面高度计算构件截面上的轴力；根据单元截面上的切应力、单元截面宽度和单元截面高度计算构件截面上的剪力；根据单元截面上的正应力、单元截面宽度、单元截面高度和单元截面中心到构件截面中心的距离，计算截面上的弯矩。
请一并参阅图7及图8，在一具体实施方式中，通过式(3)、(4)、(5)计算抗浮牛腿上方及侧方截面处的轴力、剪力和弯矩：
其中，FN为构件截面上的轴力，FS为构件截面上的剪力，M为构件截面上的弯矩，σθi为第i个单元截面上的正应力，τθi为第i个单元截面上的切应力，bi为第i个单元截面宽度，hi为第i个单元截面高度，li为第i个单元截面中心到构件截面中心的距离，i表示该构件截面共有i个单元，i≥2，该实施例中i＝2。
步骤S140：根据尺寸相似比尺，将抗浮牛腿实际内力值进行换算，得到作用在剪切试件上的荷载边界条件。
请一并参阅图9及图10，具体地，试验机40在剪切试验时，剪切方向为竖向加载，水平向剪切，上盘固定，下盘剪切。因此，需要将抗浮牛腿和岩石保持相对位置及工作原理不变的情况下，进行转向以匹配试验机40，此时抗浮牛腿层叠于岩石上。
为满足剪切试验条件，需要对实际抗浮牛腿及岩石尺寸进行等比例缩小，该实施例中尺寸相似比尺确定为30，则面力相似比尺为900，弯矩相似比尺为27000，可得到作用在剪切试件上的荷载边界条件。同时，在抗浮牛腿工作过程中，混凝土底板会约束牛腿的侧向位移，因此，位移边界条件确定为竖向局部刚性约束，水平向为剪切向，不做任何约束。
步骤S150：对剪切试件的荷载边界条件作出简化与转化，并设计约束装置20和加载装置30，约束装置20约束剪切试验过程中剪切试件的膨胀效应，试验机40顶压约束装置20为剪切试件施加轴向偏心压力，所述加载装置30对剪切试件施加弯矩。
请参阅图11，具体地，针对剪切试件的荷载边界条件，可作出如下等效与简化：忽略与剪切方向一致的力，砼和岩均为刚体，弯矩可移至形心处，并替换为一对大小相同方向相反的作用力。
请参阅图12，在一实施方式中，剪切试件包括混凝土试件14和岩石试件12，混凝土试件14层叠在岩石试件12上。为实现剪切试件边界条件的施加，尤其是左侧轴向偏心压力、左侧轴向位移约束以及右侧轴向剪力，适当调整剪切试件形状，使混凝土试件14延伸超出岩石试件12形成延伸部16，并设计左侧约束装置20和右侧加载装置30。
请参阅图13，在一实施方式中，约束装置20包括第一连接板21、第二连接板22、滚动体23、底板24及第一连接螺栓25。第一连接板21贴合混凝土试件14的顶面，第二连接板22贴合岩石试件12的底面，第二连接板22承载于底板24上，滚动体23安装于第二连接板22和底板24之间，滚动体23可以实现第二连接板22和底板24之间相互错动，保证剪切试件在进行剪切试验中，岩石试件12可以切向移动。第一连接螺栓25连接第一连接板21和底板24，实现将剪切试件夹紧固定。具体地，滚动体23可以为轴承。
请参阅图14，在一实施方式中，加载装置30包括第一安装板31、第二安装板32、第二连接螺栓33及拉力计34。第一安装板31贴合延伸部16的顶面，第二安装板32贴合延伸部16的底面，第二连接螺栓33连接第一安装板31和第二安装板32，实现加载装置30安装于延伸部16上，拉力计34连接第一安装板31，拉力计34与试验机40连接，实现为延伸部16提供拉力形成弯矩。
具体实现剪切试件的荷载边界条件时，将剪切试件放置于试验机40上，轴向加载机构42对准第一连接板21，将拉力计34的上端通过细铁丝与试验机40连接。控制轴向加载机构42以恒定速率顶压第一连接板21，轴向加载机构42偏离剪切试件的中心形成偏心的轴压力。观测轴向加载机构42反馈的压力，直至达到预设值。
然后上紧第一连接螺栓25，确保剪切试件在剪切过程中不发生竖向膨胀。通过上紧拉力计34内部的弹簧，为加载装置30提供拉力形成弯矩，待拉力达到预设值后，停止加载。
上述岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，能准确得到抗浮牛腿附近的受力情况，进一步指导岩石基坑抗浮牛腿剪切试验设计与边界条件确定，并借助约束装置20和加载装置30，实现剪切试件的边界条件施加，保证剪切试验结果的准确。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立岩石基坑数值计算模型，得到岩石基坑的应力应变及变形变化规律；
对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取；
计算抗浮牛腿上方及侧方截面处的轴力、剪力和弯矩；
根据尺寸相似比尺，将抗浮牛腿实际内力值进行换算，得到作用在剪切试件上的荷载边界条件；
对剪切试件的荷载边界条件作出简化与转化，并设计约束装置和加载装置，约束装置约束剪切试验过程中剪切试件的膨胀效应，试验机顶压约束装置为剪切试件施加轴向偏心压力，加载装置对剪切试件施加弯矩；
所述剪切试件包括混凝土试件和岩石试件，所述混凝土试件层叠在所述岩石试件上，且所述混凝土试件延伸超出所述岩石试件形成延伸部，以便实现所述边界条件；
所述约束装置包括第一连接板、第二连接板、滚动体、底板及第一连接螺栓，所述第一连接板贴合所述混凝土试件的顶面，所述第二连接板贴合所述岩石试件的底面，所述第二连接板承载于所述底板上，所述滚动体安装于所述第二连接板和所述底板之间，所述第一连接螺栓连接所述第一连接板和所述底板；
所述加载装置包括第一安装板、第二安装板、第二连接螺栓及拉力计，所述第一安装板贴合所述延伸部的顶面，所述第二安装板贴合所述延伸部的底面，所述第二连接螺栓连接所述第一安装板和所述第二安装板，所述拉力计连接所述第一安装板，且所述拉力计与试验机连接；
其中，实现所述剪切试件的荷载边界条件时，将所述剪切试件放置于所述试验机上，所述试验机的轴向加载机构顶压所述第一连接板，所述轴向加载机构偏离所述剪切试件的中心形成偏心的轴压力，所述拉力计与所述试验机连接为所述延伸部提供拉力形成弯矩。
2.根据权利要求1所述的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，所述建立岩石基坑数值计算模型，得到岩石基坑的应力应变及变形变化规律的步骤具体为：
采用数值计算软件建立岩石基坑数值计算模型，得到基坑开挖、主体结构建造及地下水位恢复全过程岩石基坑的应力应变及变形变化规律。
3.根据权利要求2所述的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，岩石基坑数值计算模型的网格划分大于等于两层网格。
4.根据权利要求1所述的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，所述对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取的步骤具体为：
采用数值计算软件内置的用户开发模块，编写计算程序对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取。
5.根据权利要求4所述的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，编写计算程序对应力进行提取的方法具体为：
将需要提取应力的单元号存入一个文本文件；
建立第一数组和第二数组；
读取文本文件中的单元号写入到第一数组中；
在第二数组设定应力值记录格式；
遍历模型中的所有单元，当读取到的单元号在第一数组中时，读取该单元对应的应力值并写入第二数组；
将第二数组中记录的所有应力值输出为一个文本文件。
6.根据权利要求1所述的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，对抗浮牛腿上方及侧方截面的应力分别进行提取的步骤之后还包括：
根据单元截面角度以及单元受力平衡关系，计算单元截面的正应力和切应力。
7.根据权利要求6所述的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，所述计算抗浮牛腿上方及侧方截面处的轴力、剪力和弯矩的步骤具体为：
根据单元截面上的正应力、单元截面宽度和单元截面高度计算构件截面上的轴力；
根据单元截面上的切应力、单元截面宽度和单元截面高度计算构件截面上的剪力；
根据单元截面上的正应力、单元截面宽度、单元截面高度和单元截面中心到构件截面中心的距离，计算构件截面上的弯矩。
8.根据权利要求1所述的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，抗浮牛腿和岩石保持相对位置及工作原理不变进行转向，使抗浮牛腿层叠在岩石上，位移边界条件确定为竖向局部刚性约束，水平向为剪切向，不做任何约束。
9.根据权利要求1所述的岩石基坑抗浮牛腿剪切试验边界条件确定及实现方法，其特征在于，所述对剪切试件的荷载边界条件作出简化与转化的步骤具体为：忽略与剪切方向一致的力，砼和岩均为刚体，弯矩可移至形心处，并替换为一对大小相同方向相反的作用力。
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