隧道衬砌结构安全性的有限元数值模拟分析

利用ANSYS有限元分析软件,对某公路隧道的设计与开挖过程进行了仿真分析.采用二维弹塑性有限元分析方法,对衬砌结构的内力进行计算和分析.并结合公路隧道设计规范给定的极限状态方程,计算出隧道衬砌的强度安全系数.研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响,为类似隧道设计施工提供科学依据.     

盾构隧道管片弯矩分布特性数值模拟分析

为了研究盾构隧道衬砌内力分布规律,对盾构隧道设计中常用的三种衬砌内力计算方法进行了归纳和分析。基于土力学理论土压力的计算方法,提出了计算管片内力分布新的荷载-结构模型。以沈阳地铁盾构隧道为例,比较分析了惯用法、有限元法以及荷载-结构计算方法的区别。计算结果表明,不同的计算方法得到的弯矩分布特性存在一定的差异。采用有限元数值模拟方法,分析了土体泊松比对盾构隧道管片弯矩的影响。研究表明,随着土体泊松比的增加,管片最大弯矩值减小。     

纵向裂缝对隧道钢筋混凝土衬砌结构影响的试验

基于荷载 结构模型,开展了钢筋混凝土衬砌的加载试验.通过分析钢筋混凝土衬砌加载过程中结构的变形和裂缝展开规律,获得了纵向裂缝深度与结构转动刚度的关系曲线,提出了单一裂缝情况下钢筋混凝土衬砌的计算模型.该模型根据连接弹簧单元来模拟衬砌裂缝,弹簧单元的参数根据衬砌结构试验结果和理论分析确定.通过该模型得到的承载安全系数可以评价带裂缝衬砌是否需要进一步加固,对实际隧道工程具有指导意义.     

双层隧道内力分析

根据弹塑性理论,采用四节点?四边形等参数单元和理想弹塑性德鲁克-普拉格弹塑性材料模型,对双层隧道进行了平面应变有限元分析,自编了考虑初应力分阶段释放?模拟具体施工过程的计算机处理软件.运用该软件,计算得到了衬砌与围岩共同工作时的变形情况?应力分布和塑性区分布的状况,并最终给出了衬砌的各个横截面的设计内力值.     

基于连续非连续方法的铁路隧道衬砌承压能力分析

西南地区水文地质条件复杂,铁路隧道衬砌的抗水压能力在交通运输工程中受到广泛重视。当排水条件受限时,较高的外部水压可能导致衬砌开裂,这对隧道安全构成严重威胁。科学合理地评价衬砌抗水压能力对衬砌结构设计非常重要。文中结合理论分析和数值模拟,采用连续-非连续方法模拟不同水压条件下隧道衬砌的渐进破坏过程,分析衬砌结构位移、应力应变、界面破裂因子、界面破裂率等参数间的关系。最后,得到不同水压条件下衬砌界面破裂率和衬砌结构渐进破坏之间的关系,将隧道衬砌承压阶段分为安全阶段、相对安全阶段、临界失稳阶段和失稳阶段4个阶段,基于界面破裂率提出衬砌结构当前状态和承压能力评价方法。     

小净距隧道稳定性数值模拟分析

应用二维弹塑性有限元计算隧道衬砌和围岩的内力,并进行该隧道变形性状和稳定性研究,结果表明:隧道在施工过程中结构体系及围岩均处于稳定状态,采用数值模拟分析是指导设计和施工的有效手段,为同类的小净距隧道工程设计、施工提供理论依据.     

盾构隧道管片内力特性分析和管片配筋设计

为探究隧道管片在地层作用下承受的内力,分别采用解析法和有限元方法对盾构隧道管片的内力分布特性进行了模拟分析,并且对两种计算方法得到的混凝土管片内力分布特性进行了比较分析.计算结果表明:有限元方法得到的管片内力分布与解析方法得到的结果相同,但在最危险的位置有限元法得出的结果偏大30%.根据有限元模拟分析得到的最大弯矩和最大轴力以及混凝土结构设计规范,完成了盾构隧道管片配筋设计.     

可考虑任意围岩压力分布形式的隧道衬砌计算分析

以大型通用软件ANSYS为平台,采用静力等效原则,把压力转化为相应的节点荷载,解决了隧道围岩压力与节点位置相关又不与衬砌结构垂直的输入问题.利用ANSYS的参数化高级设计语言,编制了适合任意三心圆拱衬砌断面和不同围岩压力分布形式的隧道衬砌内力和偏心距的通用计算程序.这为隧道设计提供了很大的方便.以武广客运专线双线浅埋隧道为例进行了计算分析.结果表明:对于埋深较浅的隧道,如果拱顶围岩压力按均布进行计算,结果会产生较大误差.围岩压力仅按均布设计的隧道,拱腰易出现开裂;围岩压力仅按马鞍型设计的隧道,拱顶易出现开裂;最好采用多种围岩分布形式进行隧道设计与验算.     

基于弹性地基梁模型的交叠隧道衬砌变形研究

新线隧道近距离穿越既有隧道是城市地铁网开拓中的重点和难点,具有重要研究价值。根据交叠隧道的变形特点,提出了计算既有隧道衬砌变形和内力的理论模型,推导了新线隧道近距离开挖穿越时,既有隧道衬砌变形和内力的相关计算公式,并对既有隧道衬砌拱底变形槽反弯点处的沉降量和最大下沉坡度角的计算结果进行了分析。以青岛市地铁交叠隧道工程为背景,通过一系列数值仿真试验分析了理论公式计算结果的可靠性和合理性。     

港珠澳大桥沉管隧道的横截面承载力分析

以港珠澳大桥沉管隧道最大埋深段为研究对象,将沉管隧道简化为框架结构,采用荷载结构模型对结构内力进行分析,研究各构件的内力状态.在内力分析的基础上,进一步验算沉管隧道各构件的正截面承载力、斜截面抗剪承载力及结构表面混凝土裂缝宽度.计算结果表明:沉管隧道正常使用状态下的极限承载力由混凝土裂缝宽度控制,正截面承载力和斜截面抗剪承载力都远大于结构的内力;使用有限元软件Abaqus对沉管隧道模拟的结果与理论计算的内力状态、混凝土受拉破坏状态相吻合.     

深部隧道失稳的尖点灾变模型

利用突变理论建立了深部隧道失稳的尖点灾变模型，得出了在一定服务年限内粘弹性围岩体与衬砌的各参数之间的关系，即衬砌参数取决于围岩参数及隧道的服务年限，在一定的服务年限内隧道失稳时，衬砌与围岩参数是确定的，从而根据围岩参数确定衬砌参数。     

深立井基岩段井壁地压应力研究

揭示深立井及超深立井基岩段井壁地压应力的理论分析方法,为基岩段立井井壁的优化设计奠定基础。首先将立井基岩段井筒及围岩均按照轴对称受力状况建立力学模型,依据井筒开挖前后围岩受力状态的分析,通过围岩内表面与井筒外壁环向或径向应变相等原理,然后依据轴对称原理、弹性理论、静不定问题的求解方法等理论,求解出基岩段井壁地压应力的分布规律。所举算例得到的结果较为充分地反应了井壁中地压应力在井壁结构设计中的作用。其结果对深立井井壁结构的优化设计具有极为重要的指导作用。     

韩家岭隧道围岩物理力学参数反分析

基于差分法、正交设计和人工神经网络建立了新的隧道围岩物理力学参数反分析方法·按照正交设计要求选取不同物理力学参数,用FLAC差分程序计算得出相应的神经网络分析样本;进行网络训练和网络结构及学习参数优化;利用现场监测数据,对韩家岭隧道围岩物理力学参数进行神经网络反分析,分析结果满足精度要求·     

考虑蠕变效应的软岩特大断面隧道围岩抗力系数计算

根据软岩具有蠕变时效的特点,考虑岩体应力-应变全过程曲线,基于鲍格斯(Burgers)蠕变力学模型,推导出了考虑蠕变效应及初始地应力的隧道抗力系数计算公式。以沪昆高速铁路特大断面软岩隧道——明山隧道为工程依托,通过现场水压致裂试验获取隧道初始地应力以及室内岩石试验,获取围岩物理力学参数,代入该公式得到了明山隧道的围岩抗力系数。研究结果表明:该公式能够可靠的运用于具有蠕变效应的软岩隧道衬砌支护设计计算中;当围岩出现塑性流动变形时,围岩仍具有与衬砌共同承载的能力,这一研究结果对隧道衬砌设计具有十分重要的实际指导意义。     

隧道二次衬砌可靠性的仿真模拟分析

由于隧道的开挖施工,使得围岩受到扰动。为了确保隧道结构体的安全性,因此需要施工衬砌,亦即衬砌,亦即一定厚度的混凝土。然而衬砌的参数往往都是通过工程类比法来确定的,很难根据具体的工程条件得出相应的合理衬砌参数,这就使得衬砌的可靠性缺乏理论依据。借助弹塑性理论,将衬砌简化成厚壁圆筒,进行可靠性试算分析;同时结合数值方法对衬砌进行仿真模拟分析,最终确定合理的衬砌参数。     

石膏围岩隧道衬砌结构破坏模式及时变可靠度模型

石膏围岩具有很强的膨胀性和腐蚀性,在隧道全寿命周期内均会引起衬砌结构自身强度劣化及受力增加,严重影响隧道二次衬砌结构可靠性.针对石膏围岩膨胀特性和腐蚀性对隧道二次衬砌结构的影响分别建立了二次衬砌结构膨胀破坏模式和腐蚀破坏模式;考虑石膏围岩膨胀性和腐蚀性对隧道衬砌结构的综合影响,建立了石膏围岩隧道二次衬砌结构综合破坏模式;基于结构体功能函数,推导出能够初步考虑围岩膨胀性和腐蚀性的隧道衬砌结构可靠度指标计算公式;并分别建立了三种破坏模式下的时变可靠度分析模型.采用石膏围岩隧道衬砌结构综合破坏模式下的时变可靠度模型对礼让隧道进行了分析,得到其在使用寿命100 a内的可靠度指标变化规律.根据计算结果可以优化石膏围岩隧道衬砌结构的抗腐蚀、抗膨胀和支护结构设计参数,并对石膏围岩隧道使用寿命周期内的合理维护及维修提供依据.研究成果可推广应用于隧道衬砌结构的可靠度研究中.     

季冻区隧道冻胀力影响因素交互性及敏感性正交试验分析

为探究影响季冻区隧道衬砌冻胀力各个因素的交互性及敏感性,依托承担冬奥会人员转运工作的延崇高速主线翠云山隧道,通过建立ANSYS数值模型,对冻胀率、冻融圈厚度、衬砌弹模等冻胀力影响因素进行了正交试验。研究结果表明：(1)考虑各个因素对冻胀力的影响时可只考虑其主效应。(2)融圈厚度、冻胀率、衬砌弹模、冻结围岩弹模以及未冻结围岩弹模均对冻胀力的影响较为显著;各因素敏感性排序为：冻结围岩弹模＞冻胀率＞未冻结围岩弹模＞冻融圈厚度＞衬砌弹模。(3)相比于原始参数,实验最优参数各部位冻胀力均有所减小且降幅均超过30%,最小降幅发生在拱顶为34.20%,并据此提出了控制冻胀力的措施,为河北地区季冻区隧道建设提供指导。??     

地下储油岩库围岩力学参数的正交设计

在相同岩性的现场库区内,岩体的物理力学参数随取样位置(深度)的变化具有不同的变化水平,即使在稳定岩层区不同深度岩性参数也有一定的差异。为了在储油岩库设计方案的数值模拟试验中充分体现这些实际特点,根据大量的岩石室内试验结果,采用正交设计试验方法,以岩石的弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力和内摩擦角共5个参数作为主要影响因素,选取储油洞库围岩塑性区面积(包括拉破坏区面积)和洞周最大位移值作为试验指标进行了正交试验,通过对正交试验结果进行直观分析,研究了地下储油岩库围岩力学参数的确定方法,给出了参数的最优组合,为解决同类问题建立了计算方法和分析思路。     

正交设计法在无火焰AAS中的应用

以无火焰AAS法测定岩石中Sr含量试验为例,采用正交设计法选定各种因素的最佳参数。本文做了三次正交设计,进行了44次试验。通过直观分析、方差分析、判断因素变化趋势、估计误差和用数理统计的方法处理数据,选择出最佳测试条件。这一方法省时有效。     

基于博弈赋权和综合灰色关联的围岩支护评价

为研究隧道围岩初期支护参数设置问题,提出基于博弈组合赋权和综合灰色关联分析的支护参数优选方法。基于正交设计方法开展数值试验,并通过博弈论组合赋权确定评价指标的主客观组合权值。此后,在灰色关联分析中引入TOPSIS（逼近理想解排序法,technique for order preference by similarity to an ideal solution）思想,形成综合灰色关联度的概念,根据综合灰色关联度对评价对象排序和确定支护优选参数,并将其成功运用到青岛地铁工程。结果表明：获得了围岩支护参数各水平的排序,锚杆直径18 mm,长度2.0 m,间排距1.2 m,混凝土厚度220 mm为优选参数,工程应用的各项评价指标均优于原支护,围岩稳定性获得明显提升,表明了所提方法的可靠性和工程实用性,对类似隧道工程提供参考和借鉴。