基于Interface改进算法的水工隧洞衬砌受力分析

针对水工隧洞不同外荷载工况下衬砌与围岩的接触特性,考虑衬砌与围岩之间有无初始缝隙,基于FLAC3D提出Interface改进模型,分别用厚壁圆筒弹性和弹塑性解析解验证算法的正确性,并应用到某水工隧洞衬砌结构计算中.结果表明:改进后的Interface接触面模拟结果与解析解非常接近;施工期自重工况、运行期内水工况和检修期外水工况衬砌结构受力各不相同,围岩与衬砌可能产生接触或脱离,内水工况下结构处于欠安全或带裂缝工作状态.该模型反映了衬砌结构在不同外荷载作用下与围岩有条件联合承载的各种受力机制.     

内水渗透作用下引水隧洞稳定分析

水利工程中,不衬砌有压引水隧洞是常用的一种水利建筑物,其在运行期间,内水压力作用会时隧洞拱项产生上抬力,并会在隧洞围岩内产生渗流场,改变洞室周边的应力场状态,加会降低围岩体的稳定状况,影响隧洞正常的运行。因此,要使不衬砌有压引水隧洞保持稳定．必须保证隧洞有足够的埋深,且要保证隧洞围岩内的渗流场的作用不至于造成围岩体的破坏。本文从有压引水隧洞最小覆盖厚度的准则、有压内水渗流场及围岩稳定分析等几个方面入手,对内水渗透作用下引水隧洞稳定进行了分析。     

高地温引水隧洞支护结构的受力特性分析

为了研究新疆某水电站高地温引水隧洞支护结构的受力特性,利用实测温度数据,结合弹性力学的拉梅公式计算与分析了隧洞衬砌施工期、运行期和检修期3种工况下4种计算情形下的径向应力、环向应力和轴向应力。计算分析结果表明,运行期由于过水内外壁温差较大,拉应力值大于施工期和检修期的拉应力值,其中拉应力主要是温度拉应力;3种工况下弹性模量随着温度变化比衬砌参数不变情况下的衬砌径向最大应力大0.02-0.04 MPa左右,比衬砌环向最大拉压应力大0.2 MPa左右,比衬砌轴向最大拉压应力大0.05 MPa左右;线膨胀系数随着温度变化引起的衬砌应力变化可忽略不计。上述结果可为高温引水隧洞衬砌设计提供依据,对类似工程设计有一定的参考价值。     

富水区衬砌-围岩接触关系对外水压力影响研究

结合某大型富水区深埋隧洞工程,基于ABAQUS采用有限元分析法,通过调整过渡层渗透系数模拟围岩与隧洞之间的接触紧密程度,计算衬砌结构的受力特性,并结合规范中的外水压力折减系数法,提出合适的衬砌-围岩折减系数.结果表明:在主要考虑外水压力情况下通过调整过渡层单元的渗透系数来模拟衬砌与围岩的接触关系是合适的,围岩与衬砌的接触关系对于衬砌结构的受力有显著影响;当过渡层渗透系数增大到某一范围时,对衬砌受力影响逐渐变得不再敏感,此时基本处在衬砌与围岩之间有渗水通道的状态.当渗水通道存在时,计算外水压力时可以取折减系数在0.870左右.     

基于渗流-应力耦合分析隧道双层衬砌力学特性

城市地铁盾构隧道支护结构主要为单层衬砌。为满足支护结构承载、防渗、开裂等要求,双层衬砌结构设计日益成熟。为揭示双层衬砌力学特性,首先通过推导渗流-应力耦合方程组,揭示地下土体应力、渗流相互耦合方程;基于渗流-应力耦合原理,利用ABAQUS软件,考虑围岩压力、隧道埋深等工况,计算、比较单层衬砌、双层衬砌的承载力特性,得到以下结论:(1)初衬、二衬在支护作用下均承载,但是初衬应力为二衬3倍左右,为主要承载结构;(2)在渗透系数减小的情况下,初衬应力增加、二衬应力减小,二衬的作用主要为防渗和安全储备。     

盾构隧洞双层衬砌接头荷载试验研究

大多数情况下,盾构隧道二次衬砌是作不作为受力构件的,目前双层衬砌的受力计算还没有形成统一的设计规范,为此以我国规划设计中的南水北调中线穿黄隧洞为研究背景,介绍了穿黄隧洞双层衬砌荷载试验原理,测试方法,试验结果及内外衬内力分配的计算方法。     

引水隧洞应力重分布及内水压力影响范围探讨

运用弹性力学理论,对无衬砌引水隧洞进行研究,经过理论推导及数值模拟,得到了在洞室的开挖及隧洞运行期间,重分布应力及内水压力对围岩所造成的影响有一个大致范围,对这个大致范围的确定进行了探讨。     

钢衬和钢筋混凝土联合承载蜗壳结构分析

对某巨型钢衬钢筋混凝土联合承载蜗壳，采用三维非线性有限元法计算结果表明：当弹性垫层６ｃｍ和垫层材料弹模为２ＭＰａ时，原设计的钢衬为６ｃｍ偏厚，钢衬与座环连接部位应力集中较大；给出了随内水压力增加，埚壳外包混凝土塑性变形和开裂区的发展过程。对上述问题提出了改进措施建议。     

影响核电厂取水隧洞抗震性能的几个因素分析

为了分析影响取水隧洞抗震性能的主要因素,运用动力时程反应分析方法,利用FLAC3D程序对某核电厂取水隧洞进行了抗震分析,并绘制衬砌内力包络图,分析地应力、应力释放系数、围岩弹性模量等参数变化对隧洞衬砌内力的影响。结果表明,随着初始地应力的增大,衬砌内力逐步增大;开挖时应力释放系数越小,二衬分担应力释放荷载比例越大,衬砌的内力也就越大;随着围岩弹性模量的增大,衬砌内力大幅度降低。该成果对隧洞抗震设计具有一定的参考价值和指导意义。     

圆形压力隧洞衬砌与围岩荷载分担比研究

结合水工压力隧洞衬砌开裂以后围岩-衬砌混凝土-钢筋联合作用的实际性状,借助于非线性有限元程序,对围岩与衬砌(混凝土和钢筋)联合作用和材料性态进行模拟,建立起精细的、高度仿真的二维(平面应变)数值模型。经过数值分析,得到了在满足规范要求且经济合理的配筋量条件下衬砌与围岩的荷载分担比、裂缝宽度和裂缝分布规律、混凝土的应力分布规律、钢筋的应力分布规律。对衬砌与围岩发生相对滑动以及围岩参数变化对荷载分担比的影响进行了分析,发现衬砌与围岩出现相对滑动时,需要增加配筋量;围岩参数变化时,对相邻裂缝间距(裂缝条数)影响很大,衬砌的荷载分担比略有上升趋势。     

高地应力与强渗透水压下软弱围岩支护

为了解决锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞工程中高地应力和高渗透水压力条件下破碎带洞段软弱围岩合理支护的关键技术问题,应用弹塑性基于流固耦合原理的三维快速拉格朗日有限差分法,分析比较了不同支护方案下隧洞围岩塑性区分布范围与变形特征.研究结果表明,在高地应力和高渗透水压力条件下,根据将围岩视为承载结构以充分发挥围岩承载能力的设计理念,围岩支护采用可使围岩与支护结构充分地联合承载的喷锚支护、固结灌浆和混凝土衬砌的联合支护型式,这是解决高地应力与强渗透水压力联合用下软弱围岩稳定性问题的有效途径.     

强震区隧洞洞口段地震响应数值模拟研究

假定地震波为垂直入射的弹性平面波,探讨隧洞洞口段平面波输入方法;基于拉、压条件下混凝土不同的损伤演化过程,建立适于编程的混凝土衬砌弹性动力损伤本构模型;针对地震作用下衬砌与围岩相互作用特点,建立衬砌与围岩联合承载分析模型;以处于强震区的滇中引水隧洞某出口段为实例,分析平面P波和SH波同时作用下洞口段的地震响应特性。研究结果表明:衬砌各部位位移与地震波的振动方向有关,峰值位移随着与洞口距离增大而减小,并在48 m处趋于稳定;在地震作用下,衬砌的损伤破坏以拉损为主,损伤系数随时间逐渐增大;衬砌中脱开区、滑移区的分布与其震损较严重区域的分布基本一致,主要分布于距洞口21 m之内的拱肩、拱腰和拱脚部位。     

不同防排水条件下深埋隧洞衬砌外水压力研究

深埋隧洞的高外水压力问题影响隧洞开挖过程围岩稳定及衬砌结构安全.结合某调水干渠深埋引水隧洞,建立稳定渗流计算模型,考虑隧洞不同防排水条件和岩层分布,模拟计算隧洞衬砌外水压力及其折减系数取值方法.研究表明,采用排水孔和固结灌浆联合防渗加固措施可减小深埋隧洞洞室衬砌所受外水压力;而上覆地层存在隔水层较均质岩层隧洞衬砌外水压力有所降低;地勘规范估算所取的折减系数过于保守,隧洞衬砌处外水压力水头与地下水位的比值作为衬砌外水压力折减系数更为合理.     

矿山法地铁隧道二衬结构安全系数及可靠度计算方法研究

以北京地铁四号线某大断面矿山法隧道为背景,分别应用初期支护与二次衬砌共同承受全部荷载的计算模式与不考虑初期支护承载而由二次衬砌单独承受全部荷载的计算模式进行隧道截面安全系数和可靠度指标的计算,结果表明:两种承载模式得到的结构最不利截面安全系数均能满足要求,但二衬结构单独承载模式得到的最不利截面结构可靠度指标偏低.为确保根据不同承载模式得到的计算结果基本相同,在应用响应面法分析隧道衬砌结构荷载效应的基础上,采用了等效地层弹性抗力系数来表征初期支护对结构承载的贡献,为解决地铁隧道结构设计中由于结构承载模式不同而造成的计算结果差异提供了一个途径.     

围岩力学参数对水工隧洞运行期衬砌受力影响分析及工程应用

应用从奥地利引进的大型岩土分析软件FINAL分析了不同围岩参数对运行期衬砌受力影响的敏感性,得知围岩参数的准确性对于衬砌厚度的设计有较大影响;根据江源隧洞现场监测资料反演得出分析洞段围岩参数,以此参数为依据研究了4种支护方案下运行期衬砌的受力情况:①不考虑一次支护条件;②考虑一次支护钢拱架;③考虑洞段整体超挖衬砌厚度增加情况;④同时考虑②、③情况.分析结果表明:在考虑一次支护的作用后,衬砌轴力及应力明显降低;洞室整体性超挖相当于增大了衬砌的厚度,使得衬砌轴力增大,应力减小.     

水电站充水保压蜗壳结构非线性仿真分析

以ABAQUS有限元软件为平台,考虑水电站蜗壳充水保压浇筑外围混凝土、卸载形成间隙和再充水运行的全过程,建立仿真计算模型,研究保压蜗壳钢衬和外围混凝土部分联合承载的机理和混凝土结构损伤发生发展的规律.以某大型水电站充水保压蜗壳结构为实例,进行了三维非线性仿真分析,并与传统简化模型的计算结果进行比较,通过两模型间主要差异存在原因的探讨,得出了钢衬与混凝土间间隙不均匀性和间隙过早闭合是混凝土结构受力偏大和损伤程度发展的不利因素的结论.研究认为,仿真模型能够更真实地模拟保压蜗壳结构的受力与工作状态,可以为蜗壳结构优化设计和钢筋有效配置提供更为可靠的分析方法.     

地下洞室全长粘结式锚杆受力分析方法

以地下洞室全长粘结式锚杆为研究对象,分析了锚杆与围岩荷载传递机制,导出了相应的荷载传递基本微分方程.结合围岩自由变形,采用有限差分法求解方程,进而得到锚固体轴力和界面剪应力沿杆长分布.采用二折线剪切滑移模型描述锚固体界面力学特性,考虑锚固体滑移,将界面的超余剪应力转化为模型节点荷载,通过不断更新围岩位移以修正锚固体内力.基于此锚杆算法,模拟了拉拔试验,结果表明该方法合理、可行.通过对某引水隧洞特征锚杆的受力分析,计算了围岩弹模、界面剪切刚度、砂浆厚度、锚杆直径和锚杆长度对锚固体受力的影响,计算结果可为地下洞室锚杆布置优化提供理论依据.     

波形钢腹板混凝土组合箱梁纯扭性能全过程分析

为获得波形钢腹板混凝土组合箱梁在纯扭矩作用下全过程的扭矩-扭率曲线,基于混凝土开裂前后2个阶段,建立了组合箱梁纯扭性能全过程分析模型.针对混凝土开裂前阶段,考虑截面宽高比和波形钢腹板形状的影响,提出了组合箱梁弹性扭转刚度的修正公式,同时引入普通钢筋和预应力筋的影响,修正了组合箱梁开裂扭矩计算公式.对于混凝土开裂后阶段,针对RASTM T中混凝土已开裂和忽略混凝土拉应力的不合理假定,提出了考虑扭率计算值修正的组合箱梁纯扭转非线性分析方法.然后,利用C++语言编制了组合箱梁纯扭性能全过程分析计算程序.分析结果表明,模型计算值与试验值吻合良好.该模型可准确预测波形钢腹板混凝土组合箱梁纯扭转受力全过程的扭矩-扭率曲线.     

深埋隧洞围岩稳定性分析及结构设计研究

按照围岩是地下工程中主要的承载结构这一设计思想,应用弹塑性有限元法分析了锦屏二级水电站引水隧洞开挖及支护过程中围岩的变形规律与特征、围岩应力分布及其变化规律、塑性区范围,比较研究了不同渗控方案对隧洞围岩和衬砌的工作状态的影响,提出了较优设计方案.图4,表3,参6.     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。