大断面深埋高水压盾构隧道实测内力反算与分析

结合南京地铁3号线大直径盾构隧道工程,对隧道管片钢筋应变进行了现场测试,基于既有的管片内力反算方法,考虑混凝土非线性性质及管片接头,提出了适用于深埋高水压盾构隧道的内力改进算法,并对改进算法反算内力与结构设计计算内力进行了对比分析.结果表明:改进算法更能反映管片的实际受力状态,更适用于荷载模式复杂且接头传力机制多变的大断面深埋高水压盾构隧道;采用设计方法计算的深埋高水压盾构隧道管片及接头内力与改进算法反算内力的分布规律基本一致,但在量值上具有一定的差异;采用设计方法计算的管片及接头轴力为改进算法反算轴力的1/2左右,反算的管片弯矩在拱底位置与惯用法计算弯矩接近,在拱腰及拱顶位置与梁-弹簧法更为接近,反算的接头弯矩大于梁-弹簧模型计算接头弯矩.研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考.     

特殊荷载作用下电力电缆隧道结构内力计算

结合上海输电隧道工程实际,对其在内、外部荷载共同作用下的结构内力进行分析和计算,提出了盾构法施工条件下的电力隧道结构内力计算模式.结果表明：在盾构法施工条件下,适宜采用带有旋转弹簧及剪切弹簧接头的弹性地基圆环模型,以体现内部荷载施加前后管片内力的变化情况;横梁可使圆环水平变形减小,总体受力得到改善;横隔板及内部荷载可使管片轴力增加,横梁中部及两端弯矩增大,该处节点设计应尽量做到安全可靠,并做好连接点构造处理;横梁与衬砌结合部可产生应力集中,使得上部管片弯矩减小,下部管片弯矩增大,铰单元承受的弯矩减小.     

岩溶地层运营期地下水上涨引起管片上浮规律研究

岩溶地层溶隙发育,地下水流通性强,盾构隧道施工过程中浆液易流失,导致隧道运营过程中易出现上浮错台等灾害。为了研究岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位变化造成的管片上浮问题,通过数值模拟和现场监测,分析岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位上涨引起管片上浮的规律。结果表明：注浆层隧顶空洞、隧底注浆不密实和地下水位上涨是影响管片上浮的主要因素,其中隧顶空洞对管片上浮影响最大;管片隧顶注浆流失越严重,上部注浆层对管片的约束越小,地下水位上涨造成的管片上浮越明显;管片隧底注浆不密实导致管片底部和注浆层之间粘结力降低,管片上浮量增加;研究给出了管片上浮量与注浆层空洞、注浆不密实和地下水位的对应关系,可为岩溶地层盾构注浆施工质量控制提供借鉴。     

盾构隧道管片衬砌力学行为区间不确定性分析

以琼州海峡盾构隧道为研究背景,基于梁-弹簧有限元模型,考虑初始设计阶段中相关参数的不确定性,将侧向土压力系数、地层抗力系数、接头等效抗弯刚度考虑为区间不确定性变量,建立了管片衬砌结构区间不确定性问题的数值求解模型,推导了影响度计算公式,可估计轴力、弯矩、安全系数的上下界.通过数值分析,探讨了各区间变量不确定性对管片衬砌结构力学行为的影响.数值结果表明:所取参数的不确定性对轴力影响较小,但对变形和弯矩影响较为明显;两种荷载模式对应的管片安全系数区间相差较大,在设计中应妥善考虑.研究结果有望为管片衬砌鲁棒优化设计提供参考.     

曲线段大直径盾构掘进引发管片上浮影响

为研究曲线段大直径盾构隧道在上软下硬地层对管片上浮的影响,针对曲线段盾构隧道施工开挖面支护力、管片上浮的施工风险因素进行研究,采用极限平衡法研究开挖面支护力稳定性的影响,对开挖产生的不规则类棱台型土体进行横向竖向受力分析,建立静力平衡方程,求解开挖面处于极限平衡时的极限支护力.进一步研究开挖面支护力、曲线段大直径盾构隧道在上软下硬地层掘进对管片上浮的影响,并且分析影响管片上浮的地质以及盾构掘进姿态等因素,提出相应盾构管片上浮综合控制措施.结果表明:当破裂角φ1=29.0°,φ2=25.5°时,极限支护力T=128.5 k Pa.应合理控制盾构掘进姿态,保证合理的支护力,防止在上软下硬地层大直径盾构盾尾注浆滞后以及浆液硬化滞后,隧道产生偏离曲线掘进轴线的上下摆动,造成管片上浮;对于上浮比较严重的区域,可以采用双液注浆法,阻止管片上浮;对于已经产生管片上浮的区域,可以采取“上压下放”的方式增加隧道的配重或采用抗拔装置施加外力来抵抗地下水上浮量.     

地铁营运期盾构隧道管片块位移响应分析

采用FLAC3D三维动力计算软件,充分考虑接缝、管片分块和复杂地层等因素,对广州某埋置于软硬交错地层之中的盾构隧道在地铁营运列车振动荷载作用下各管片块位移响应问题进行深入分析.结果表明,地铁列车一组组轮对的滚过所产生的加卸荷和振动效应导致各管片块的位移响应出现起伏波动现象,环底附近的管片块位移响应最大,自环底向环顶逐渐减弱,管片整环发生轻微垂向椭变响应.管片块位移响应强度与其所处地层的性质紧密相关,在软土地层中管片环位移响应最大,其椭变最明显.     

上硬下软地层盾构隧道开挖面极限支护力分析

极限支护力是保证盾构隧道开挖面稳定性的关键参数.但目前鲜有学者研究上硬下软地层中盾构隧道开挖面极限支护力的现状.本文基于极限平衡法和筒仓理论,假设破坏面为折线,建立了适用于该地层的盾构隧道开挖面极限支护力计算模型,并得到其计算公式;进而对该地层模型进行数值模拟.结果表明,与不考虑地层分层的传统方法相比较,本文方法与数值计算结果更为吻合,证明了当开挖面横跨上硬下软地层时考虑分层的必要性.在此基础上,对埋深、上下土层厚度及土体强度指标等参数对极限支护力的影响进行了分析.结果表明:当上下地层土质不同时,考虑分层与否所得的极限支护力差异较大.因此,上硬下软地层不能等同于均质土层,在工程实践中需予以考虑.     

基于外荷载修正的箱形梁横向内力分析

为了合理计算薄壁箱梁在偏心荷载作用下的横向内力,采用弹性支承梁理论对作用在薄片框架上的外荷载进行修正.根据箱形梁畸变位移与框架位移之间的协调关系,采用满足平衡条件的新计算模型,推导出计算箱形梁横向内力的基本公式,并分析了几何参数对箱形梁横向内力的影响.结果表明,当高宽比小于1.5时,横向弯矩降低幅度较大,且在远离跨中截面处以较快的速度衰减;当高宽比大于1.5时,横向弯矩降低幅度较小,且在箱形梁跨中大部分范围内基本保持不变.与有限元计算结果相比,全梁各横截面计算误差均小于10％.基于修正的外荷载计算所得的箱形梁沿跨度方向的横向弯矩较推广的TYL框架分析法精度更高.     

盾构隧道横向受力分析的地层-梁-弹簧系统模型

盾构隧道衬砌结构由若干管片及其间的连接螺栓组装而成。在横向受力分析的工程设计中,目前普遍采用的是荷载结构系统模型。采用地层-梁-弹簧系统模型来分析管片结构的横向受力影响,可以了解土体开挖效应对衬砌结构的影响,以及精确模拟土体与衬砌管片之间的接触关系,并计算了一个工程实例,得出了一些有参考价值的结论。     

下穿黄河盾构隧道管片衬砌结构受力特征模型试验

针对兰州地铁穿河段盾构隧道穿越强透水砂卵石地层和承受较高外水压的特点,首先研制了外水压加载装置,该装置在衬砌模型内部创造了一个封闭的负压环境,通过控制模型内外气压差来实现外水压的等效加载,同时结合隧道-地层复合模拟试验系统开展了几何相似比为1∶10的室内模型加载试验,实现了土压和水压的分别控制加载.研究了水压、土压、土体侧压力系数及拼装方式对管片受力特征的影响.研究结果表明,随着水压的增大,管片轴力明显提高,弯矩略有减小,偏心距则明显降低;随着隧道上覆土压的增大,管片衬砌结构的轴力、弯矩、偏心距均呈增大趋势,但总体上量值变化较小;在水压一定时,覆土厚度的增加对管片弯矩的影响越来越大,而轴力变化速率均比较稳定;正常水压条件下,随着土体侧压力系数的增大,管片衬砌结构的轴力增大,弯矩减小,偏心距减小,随着水压的增大,侧压力系数对于管片结构受力特征的影响越来越小;错缝拼装情况下,管片内力在部分环向及纵向接头处会产生较大突变,且管片内力较通缝拼装情况大.     

盾构隧道壁后空洞注浆对管片受力特性的影响

为研究盾构隧道壁后空洞注浆浆液的扩散机理及其对管片受力的影响规律,基于修正达西定律对黏性土中浆液的扩散半径和管片产生的压力计算公式进行了推导,并以西安地铁某区间隧道涌水事故为依托,利用推导的注浆压力公式,采用地层-结构模型得到了管片壁后空洞注浆部位及注浆压力对管片受力的影响规律。结果表明:同一注浆位置,当注浆压力不断降低时,管片的轴力值、弯矩值以及管片上浮呈不断降低的趋势;除了控制截面有稍微旋转之外,设计工况下的管片轴力值、弯矩值与模拟过程中注浆压力为0.3 MPa时的情况相近,注浆压力超过0.9MPa时,结构产生明显的偏压,甚至出现管片裂缝以及结构破损;不同注浆部位施加相同注浆压力时,当注浆位置为隧道顶部和底部时,管片的力学形态发生了较大的变化,特别是弯矩值,增加幅度可达1.5~2倍,隧道侧面注浆使弯矩分布发生一定程度的旋转,甚至反转。     

梁侧向屈曲临界荷载分析

揭示梁侧倾分析中弯扭平衡方程的力学意义是梁截面内弯矩等于外弯矩及内扭矩等于外扭矩：提出采用梁截面力矩矢量分析法解决各种荷载类型和不同支承条件下侧向屈曲梁截面弯扭力矩的计算问题：采用伽辽金（Galcrkin）法求解梁侧向屈曲平衡方程。研究结果表明：采用力矩矢量分析法可以方便地建立梁侧倾弯扭平衡方程：临界荷载计算值与传统的无穷级数解非常接近,且数值上稍低于无穷级数解,这说明采用伽辽金法进行梁抵抗侧向屈曲设计是偏于安全的。     

竖向荷载下新型住宅复合结构试验研究

通过对用于住宅的一榀新型复合结构模型在竖向荷载作用下的试验,研究了复合结构在正常使用阶段和承载力极限状态时梁柱及支撑的各截面应力、裂缝、变形和破坏形态.结果表明,一榀六层复合结构,在梁柱截面为250 mm×250 mm,支撑截面为120 mm× 120 mm,承载面积为4.2 m ×4.2 m的情况下,荷载达到一般住宅竖向荷载标准值,梁的裂缝和挠度均小于规范值;当达到设计值时,支撑和底层柱所需要的配筋仅为构造配筋,而梁最大弯矩截面的配筋率仅需0.25%,即新型复合结构满足住宅结构在竖向荷载组合下可靠性要求.复合结构在竖向荷载作用下的破坏形态为梁铰机构体系.     

碳纤维布加固钢筋混凝土梁疲劳试验荷载计算

进行碳纤维布加固钢筋混凝土梁疲劳试验前,一般先进行静力加载试验。因此,先要确定未加固梁的开裂荷载和开裂弯矩,极限荷载和极限弯矩的大小,然后通过未加固梁的静载试验得到的极限弯矩值大小估算疲劳荷载值的上、下限值。     

基于固端弯矩相等原则的等效荷载法

为提高工程结构力学分析的效率,提出了一种基于固端弯矩相等原则的计算方法。首先,基于固端弯矩相等的原则,研究在对称集中荷载和三角形分布荷载作用下单跨超静定梁的等效荷载施加方法,并导出梁在非常规荷载作用下固端弯矩的实用计算公式。然后,将超静定单跨梁的荷载形式推广至更任意的集中荷载和分布荷载等情况,并探讨了任意多集中荷载作用下单跨超静定梁的等效荷载施加方法和通用计算公式。最后,通过多跨连续梁和框架结构算例验证了所提方法具有较好的计算效果。算例结果表明,基于提出的等效荷载法可快速得到单跨超静定梁的固端弯矩,从而可高效准确地确定结构的真实内力分布。研究成果表明了利用等效荷载实现高效求解的可行性,它为力矩分配法及其它力学分析问题提供了一条高效便捷的思路。     

超浅覆土隧道管片试验方法研究

本文以管片变形与内力相似为原则,设计用油缸加载等效设计工况结构所受荷载。通过弯矩等效方法将混凝土管片的真实受力情况转化为管片模型试验中的受力状态,研究表明该方法能够很好地模拟超浅覆土状态下的管片受力和变形,对管片模型试验方案的设计和实施具有指导意义。     

不同侧压系数下复合地层变形破坏特征数值模拟

针对中国中西部挤压造山带大埋深不同侧压系数(0.5~2.0)下复合地层在工程开挖扰动下复杂叠加的变形破坏特征,采用有限差分程序FLAC3D对3种不同组合型式的复合地层开展了数值模拟研究。同时结合软岩和硬岩解析解的分析对比,发现开挖卸荷作用下复合地层位移量比均质软岩小,前者随侧压系数增加位移量较大的点由顶拱向边墙转移变化。硬岩中富集的主应力比软岩中高。软岩塑性区半径最大的是前软后硬型,比上下叠置型复合地层的结果大很多。后者接近该深度下的均质软岩隧道的塑性圈半径。本文结果可为复合地层中隧道工程设计和施工提供参考。     

拉压强度不同材料矩形截面梁几何中轴的曲率方程

将材料本构关系简化成拉压屈服极限不同的理想弹塑性模型,推导了矩形横截面梁在完全弹性状态、单侧塑性状态及双侧塑性状态下依赖于压拉屈服极限比的几何中轴的曲率方程.并将其应用于悬臂梁的变形及各阶段极限荷载的分析,最后利用所得的解研究了材料压拉强度差效应对矩形截面梁塑性极限弯矩的影响.结果表明,考虑材料压拉强度差效应时梁的塑性极限弯矩将明显提高.     

复合地层泥水盾构开挖面失稳破坏宏微观机理

针对复合地层泥水盾构开挖面稳定性问题,采用试验研究和数值仿真分析相结合的方法,并结合宏观及微观研究手段,对泥水盾构施工过程中周围土体力学特性及地层变位,进行了定量分析,揭示了该地层条件开挖面的失稳破坏模式.在此基础上建立了完善的开挖面稳定性三维解析方法,主要得到以下结论:对于常见上软下硬复合地层情况,低应力水平条件下泥浆的渗入能在一定程度上提高土体的强度,减缓侧向变形的发展,因此,有效泥浆支护压力宜控制在较小的区间取值,且不宜过大,并应充分利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定;上软下硬复合地层中开挖面失稳破坏模式与砂性土地层的失稳破坏模式相似,即表现为开挖面前方为楔形体,破坏区域顶部为烟囱状,最大沉降量发生在开挖面前方顶部附近.     

洞桩法边桩变形的荷载-结构模型

掌握边桩的受力变形规律对洞桩法车站的安全至关重要.基于修正的荷载-结构模型研究洞桩法边桩变形规律,并与现场实测结果进行对比.结果表明:边桩顶至底板的边桩侧向位移呈抛物线形,底板以下的边桩侧向位移基本为零;导洞初支体系能够承受大部分自身围岩应力,但在计算模型中忽略导洞围岩应力时,应对导洞底部侧压力系数扩大20%;常规荷载-结构模型计算所得的边桩侧向位移整体偏小,经修正的荷载-结构模型计算所得的边桩侧向位移与现场实测数据较为吻合;修正的荷载-结构模型边桩轴力有大幅缩减,边桩剪力和弯矩基本不变.