银西高铁黄土塬区古土壤围岩隧道含水率变化特性研究

以银西高铁早胜三号隧道为例,采用现场监测,对黄土塬区古土壤隧道围岩含水率及钢拱架应力变化特征进行研究。结果表明,古土壤隧道围岩含水率具有明显的时空效应,在时间上呈"增大-波动-平稳"的三阶段变化趋势,含水率趋于稳定后仰拱和拱脚部位围岩含水率均大于拱顶和拱脚处,且仰拱处含水率增幅在整个断面呈最大;钢拱架主要承受压应力,拱顶和拱腰处的钢拱架压应力最大,钢拱架在施工期内承受围岩压力、确保大断面古土壤隧道围岩稳定性方面发挥着重要作用;深埋古土壤隧道围岩变形以拱腰和边墙部位的水平收敛和沉降变形为主,拱顶沉降变形较小。     

上覆薄煤层采空区公路隧道开挖稳定性试验研究

隧道下穿煤层采空区施工将对周围地层产生扰动,影响隧道围岩及初期支护的稳定性.进行了上覆薄煤层采空区隧道开挖的室内相似模型试验,试验中通过测量隧道开挖过程中采空区地层、隧道拱顶的沉降及初期支护内力等参数,对上下台阶法和单侧壁导坑法进行了对比分析.测试结果表明,隧道开挖引起的采空区地层沉降受开挖方法的影响显著,上下台阶法开挖引起的采空区地层沉降高于单侧壁导坑法,沉降槽曲线较陡、沉降范围更宽.两种开挖方法中,围岩压力的最大值均位于右拱脚处,钢拱架最大弯矩出现在拱脚处,最大轴力位于拱腰或拱肩处.其它条件相同时,采用单侧壁导坑法开挖时初期支护背后的围岩压力、钢拱架内力和偏心距等普遍大于上下台阶法开挖.研究表明在隧道下穿倾斜煤层采空区施工时,采用单侧壁导坑法开挖可以显著减小对采空区地层及围岩的扰动,但同时需增强初期支护的刚度,确保围岩及隧道结构的整体稳定性.     

隧道掌子面前方小型有压溶腔对围岩稳定性影响分析

以重庆双碑隧道工程为研究对象,采用FLAC3D模拟施工中掌子面正前方存在小型带压溶腔的情况,根据计算所得安全临界距离,采用自主发明的一套模拟溶腔内压的试验装置,开展了几何相似比为1∶25的室内模型开挖试验,研究隧道开挖至安全临界距离时,溶腔内压增加至掌子面崩坏过程中,此阶段掌子面周边围岩压力、掌子面位移以及初期支护内力的变化规律.结果表明:随着掌子面前方溶腔内压的增加,掌子面位移先呈近似正比例增加,随后掌子面位移增大速率逐渐增加,最后产生突变破坏;围岩压力随溶腔内压增大呈现出增大趋势,其中拱顶处围岩压力影响较大,拱肩与仰拱处次之,其他位置围岩压力影响不大;钢拱架弯矩分布规律在不同溶腔内压作用下基本相同,在溶腔内压增大过程中,初期支护拱顶以及仰拱处弯矩呈增大趋势,其影响主要集中在拱顶附近及拱底处,其它位置处弯矩影响不大;随溶腔内压增大钢拱架轴力均呈现增大趋势,轴力变化较大位置主要出现在拱顶处,左右拱腰处次之,仰拱以及拱肩处变化幅度较小;受溶腔内压大小的影响,掌子面处位移、初支内力以及偏心距变化速率均越来越快.     

黄土公路隧道受力特性测试

为了解黄土公路隧道围岩压力及衬砌受力的特性,通过对青土岘隧道的现场测试,研究了一次衬砌和仰拱围岩压力、格栅拱架钢筋轴力、一次衬砌和二次衬砌接触压力以及仰拱和二次衬砌混凝土的应力应变随时间变化规律及分布特性.结果表明,围岩与一次衬砌接触压力分布不均匀,边墙底部表现出了较大压力,格栅拱架钢筋轴力稳定较快且全部受压,二次衬砌和仰拱承受较小的荷载.     

TBM隧洞倾斜黏结锚杆受力特性分析及支护参数优化

依托北疆供水二期输水KS隧洞工程,针对敞开式TBM隧洞倾斜黏结锚杆设计了三角形带孔垫板,通过现场监测锚杆轴力进行锚杆受力特征研究,同时结合数值模拟进行对比分析,并对锚杆支护参数进行优化设计,研究结果表明:隧洞轮廓边缘锚杆近端轴力逐渐增大,在中性点(0.5 m)附近达到峰值,往锚杆远端处轴力逐渐减小.锚杆轴力最大值为3.48 kN,应力为7.09 MPa,应力比仅为0.030.隧洞不同位置处锚杆轴力有所差别,总体表现为拱顶处锚杆轴力最大,拱肩处次之,拱腰处最小.锚杆轴力计算值与实测值两者变化规律基本一致,但总体上计算值比实测值稍大,主要是由于现场测试时围岩已经发生位移,而且锚杆实际工作中锚固体部分产生一定滑移,造成实测值较低.综合分析建议锚杆长度从3.0 m减少到2.5 m,纵向间距从1.0 m增加到1.2 m,环向间距为1.0 m,梅花形布置,不仅可以减少施工周期,而且可以降低施工成本,具有较大的经济效益.     

软岩大变形偏压公路隧道变形与荷载作用特征

为解软岩大变形偏压公路隧道变形与荷载作用特征,以宜巴高速公路卧佛山隧道实体工程为依托,选取2个典型断面开展现场测试工作,对初期支护变形与受荷特征进行研究。研究结果表明:围岩非对称大变形隧道围岩前期变形速度快,稳定持续时间长,水平收敛值大;围岩压力前期增加速率快,变化持续时间长,水平围岩压力大、最大值出现在围岩较差一侧拱肩处;钢拱架在围岩较好一侧拱肩处出现压应力集中,在围岩较差一侧拱肩处出现拉应力集中,钢拱架扭曲变形严重;喷射混凝土在围岩较差一侧承受较大的拉应力,且超过混凝土的抗拉强度,大面积开裂剥落,围岩较好一侧压应力较大,但其值未超过C20喷射混凝土抗压强度;围岩非对称大变形隧道设计时应加大围岩较差一侧超前支护强度,加大预留变形量,加强初期支护,施工时宜采用预留核心土的三台阶开挖方法。     

泥质粉砂岩地层浅埋联拱隧道锚杆支护效果研究

锚杆在软弱围岩等特殊地层中的作用效果一直是近几年的研究热点。为了明确泥质粉砂岩地层中系统锚杆的作用效果,本文通过现场监测的方法研究了泥质粉砂岩地层联拱隧道取消锚杆试验段与布设锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛、围岩压力以及钢拱架内力等监测项目的变化规律和异同。结果表明：取消锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛与布设锚杆试验段差别不大;取消锚杆试验段围岩压力略大,但分布较为均匀,试验段围岩压力均小于理论计算值;联拱隧道先开挖洞拱架内力大于后开挖洞,布设锚杆试验段由于锚杆约束拱架的作用导致拱架受力较小;隧道大部分位置锚杆受压,轴力范围为-4.45kN~4.23kN,最大拉力占杆体极限拉力值的2.35%,锚杆抗拉效用无法得到充分发挥。     

不同位置空洞条件下隧道的破坏模式试验研究

隧道空洞是影响隧道稳定性的重要原因之一,因此开展了空洞在拱肩、边墙、拱脚及拱底等位置的模型试验,总结出存在不同位置的空洞隧道的破坏形式和破坏顺序.试验结果表明:拱肩空洞模型在空洞的边界位置和拱脚处现受压破坏,底板出现开裂;边墙空洞模型在空洞位置相应的衬砌出现压溃及拱顶产生开裂;拱脚空洞模型是拱脚位置衬砌受压破坏以及拱顶产生开裂;底部空洞模型是在底板衬砌位置及相应拱肩衬砌受压破坏以及拱顶出现开裂,研究结果为隧道的顺利施工和后期维护提供参考依据.     

泥质粉砂岩地层浅埋联拱隧道锚杆支护效果

锚杆在软弱围岩等特殊地层中的作用效果一直是近几年的研究热点。为了明确泥质粉砂岩地层中系统锚杆的作用效果,通过现场监测的方法研究了泥质粉砂岩地层联拱隧道取消锚杆试验段与布设锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛、围岩压力以及钢拱架内力等监测项目的变化规律和异同。结果表明:取消锚杆试验段拱顶沉降、水平收敛与布设锚杆试验段差别不大;取消锚杆试验段围岩压力略大,但分布较为均匀,试验段围岩压力均小于理论计算值;联拱隧道先开挖洞拱架内力大于后开挖洞,布设锚杆试验段由于锚杆约束拱架的作用导致拱架受力较小;隧道大部分位置锚杆受压,轴力范围为-4.45～4.23 kN,最大拉力占杆体极限拉力值的2.35%,锚杆抗拉效用无法得到充分发挥。     

钢-混组合结构蝶形拱桥索力优化

以中承式钢-混组合结构蝶形拱桥为研究背景,对以异型拱为代表的拱桥的索力优化问题进行研究。运用MIDAS/Civil软件建立桥梁结构的有限元模型,通过对比分析不同张拉索力下的拱肋轴力、弯矩、应力以及索力不均匀程度,确定最合理的吊杆张拉力,同时对4种不同的张拉方案从拱肋轴力、拱肋弯矩、主梁应力以及吊杆内力等方面进行对比分析,以确定最优的吊杆张拉顺序,最后以确定的吊杆张拉力和张拉顺序对吊杆进行验算。研究结果表明,该蝶形拱桥的第二次吊杆张拉力选取中索450kN、边索550kN较为合理,最优的张拉方案为先张拉拱顶两侧的两根吊杆,再张拉拱顶吊杆,然后从拱脚向拱顶对称张拉,吊杆的最大应力和应力幅均满足规范要求。     

钢管混凝土抛物线空腹拱平面内稳定性能

钢管混凝土抛物线空腹拱是在钢管混凝土桁架拱上取消斜腹杆的拱结构。本文采取理论推导和数值模拟相结合的方式,对钢管混凝土抛物线空腹拱的平面内稳定性能进行深入研究。首先,使用有限元软件建立钢管混凝土圆管拱模型,与实验进行对比,证明建模方法的正确性。其次,推导出钢管混凝土抛物线空腹拱的换算长细比,并基于ABAQUS的分析结果,采用考虑矢跨比的轴压稳定系数公式,发现该公式能预测有限元计算结果。再次,对跨中加载和半跨加载分别进行一阶线弹性分析,研究钢管混凝土抛物线空腹拱中压力和弯矩的变化规律,并分析不均匀轴力和不均匀弯矩对压弯设计公式的影响。最后,推导出空腹拱的全截面塑性弯矩公式,根据二分法原理利用python语言求出全截面塑性弯矩的数值,并根据有限元的计算结果,提出压弯共同作用下钢管混凝土抛物线空腹拱的设计公式,使其能用于指导工程实践。     

深基坑内支撑调节对邻近隧道受力特性相互影响规律试验研究

现有基坑近接隧道施工的保护措施多为加强支护刚度或采用轴力伺服系统以减小围护结构变形,未能深入考虑支撑伸缩调控下基坑-隧道的受力特性。为了明确基坑开挖施工对邻近既有隧道影响以及可调节内支撑伸缩对“基坑-隧道”受力特性的影响规律,开展了砂土地基中“基坑-隧道”相互影响的室内模型试验研究。获得了隧道的内力、周围土压力、隧道上部地表沉降、地连墙变形、墙背土压力等变化规律。研究结果表明：深基坑开挖施工过程中,隧道呈现上下压缩、左右拉伸的趋势。临近基坑一侧的土压力减小迅速,远离基坑一侧的土压力表现为增大。周边地表沉降呈碟形。内支撑主动伸缩调控下,基坑下部支撑伸缩引起的隧道弯矩变化量大于调控上部支撑,同时伸缩三道支撑时影响最大。支撑缩短时,隧道拱顶、拱底弯矩值正向增大,拱腰弯矩值反向增大。支撑伸长时,拱顶、拱底弯矩值减小,拱腰弯矩值增大。支撑伸缩对隧道拱腰水平土压力影响明显,对拱顶和拱底竖向土压力影响微弱。     

衬砌-锚杆加固碹窑民居的力学行为及稳定性分析

为了提高碹窑民居的安全性能,提出了一种碹窑民居衬砌-锚杆加固技术,通过数值模拟研究方法,分析了加固碹窑民居的力学行为和稳定性能,研究了加固体系的力学机制。结果表明：衬砌结构作为传力构件,可与拱券结构共同传递窑顶自重荷载。加固结构可有效减小接触面的切向应力,同时改变切向应力的分布形态。碹窑民居加固后,最大强度折减系数由2.0增加至5.6,其稳定性能显著提升。衬砌结构左、右两侧拱顶、外侧窑腿及拱脚部位弯矩较大,该部位钢筋网应适当加密,以增大弯矩承载力。     

不同填土高度下钢波纹管变形与力学性状的数值分析

利用FLAC3D对填土高度1~10 m下的钢波纹管涵进行模拟,研究不同填土高度下钢波纹管的变形和力学性状.研究结果表明:钢波纹管顶部节点竖向位移最大值在路堤中心断面处,且当填土高度大于6 m时,竖向位移沿轴向逐渐减小趋势较为明显;填土高度小于6 m时,钢波纹管水平位移沿轴向变化较小;填土高度大于6 m时,水平位移变化较为复杂,出现两个拐点;同一填土高度下,钢波纹管路堤中心断面上半部分和下半部分60°~90°范围内弯曲应力较大,水平向弯曲应力最小,且上半部分与下半部分受力状态基本一致;路肩断面上半部分弯曲应力值基本不变,下半部分从0°~-90°范围内弯曲应力逐渐增大,且-60°~-90°范围内弯曲应力值较大,最大值出现在管底处;钢波纹管管顶轴向弯曲应力最小值出现在路肩断面处,最大值出现在路肩至管口范围内;当填土高度大于4 m时,水平节点轴向弯曲应力最大值出现在路肩至管口范围内;管底轴向弯曲应力最大值出现在路肩断面处.     

大跨公路隧道截面仰拱连接形式优化分析

为实现隧道截面仰拱连接处最小弯矩应力的目标,应用有限元原理对目前我国采用较多的大跨公路隧道结构截面形式进行内力计算,通过Ansys优化分析边墙与仰拱的连接部位,找到最优的隧道横断面连接形式;同时考虑到现场支模等施工的需要,优化找出与仰拱直线连接时最优直线段高度．发现直线连接相对于曲线连接弯矩最大值约增大20－30％．在满足净空及工程要求条件下,最大弯矩随直线连接段高度增加出现先减小再增大的趋势,最大弯矩随围岩级别增高增大速率较大．     

某体育馆结构设计及关键技术分析

体育馆跨度大,造型独特,采用大钢拱及钢管桁架屋盖,下部混凝土框架结构,具有屋盖推力大、柱内轴力和弯矩大、基础设计难的特点,目的就是为解决上述难点.采用型钢混凝土柱提高承载力,抵抗较大的轴力和弯矩;设置钢筋混凝土斜撑和双排柱的框架体系,合理分担体育场挑蓬产生的弯矩,并支撑钢屋盖大拱;对屋盖下混凝土圈梁和与型钢混凝土柱相连的看台层圈梁和斜梁进行加强,以平衡屋盖推力,增强结构的整体性.屋盖大拱拱脚墩下基础采用考虑柱身水平承载力的联合柱承台加连梁的方案.设计结果表明,结构满足规范的各项要求,文中方法和结论,可为类似工程设计提供参考.     

玻璃纤维增强聚合物腰梁受力性能试验与有限元模拟

为探究基坑支护工程中玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer, GFRP)腰梁的应力分布规律和变形特性,结合GFRP腰梁力学性能试验及数值模拟,依托于青岛某深基坑工程,利用ABAQUS有限元软件对不同工况下双腹板GFRP腰梁进行了有限元模拟。研究结果表明,与钢材相比,GFRP材料具备较高的抗弯强度,但弹性模量较低;最大加载至700 kN时,双腹板GFRP腰梁变形的室内试验结果和数值模拟结果的变化规律相似,随着荷载水平的增加,呈线性变化,说明GFRP腰梁始终处于弹性工作状态,整体稳定性强。明确了预应力锚杆轴力为300 kN时GFRP腰梁在两端自由、两端约束以及一端约束一端自由3种情况下的应力分布规律和变形特征;对于两端自由的GFRP腰梁,预应力锚杆轴力为150 kN时的应力、位移约为预应力锚杆轴力为300 kN时的50%。研究结果可为类似工程提供借鉴与参考。     

深基坑桩锚支护位移及内力数值模拟分析

利用FLAC3D数值模拟软件,按照实际施工工序模拟基坑开挖支护全过程,得到了桩锚支护结构以及基坑外土体沉降和基坑侧壁水平位移随基坑开挖的变形规律:随基坑开挖深度的增加,基坑外土体沉降逐渐增大,变化曲线呈"勺状"分布;基坑顶和基坑侧壁水平位移随开挖深度增加均逐渐增大且都在开挖至基坑底时位移最大;桩身弯矩最大值处基本出现在基坑开挖深度1.5 m以上的位置,最大负弯矩值为76.7;锚索轴力最大位置出现在锚索的端头处,且从端头位置向端尾位置逐渐减小,而第1排至第3排锚索最大值逐渐增大,说明支护结构中第2、3排锚索起主要作用,验证了深基坑桩锚支护的可行性。