考虑基础刚度的新型高填方双层衬砌式明洞的动态力学特性

为解决高填方明洞整体式衬砌过厚导致的水化热裂缝问题,在渝利铁路重庆丰都高填方明洞工程中首次采用双层衬砌设计,通过现场实测及数值模拟2种方法分析该新型结构的动态力学特性。结果表明:在回填土达到明洞顶部前,即仅有侧向荷载时,明洞结构的内力增量很小,在回填高度超过明洞顶部后,明洞的内力则随回填高度的增加而线性增长;双层衬砌明洞的外衬和内衬的轴力之比接近二者的厚度之比,而二者的弯矩之比则无类似规律,二者的相互作用方式与组合梁类似;采用混凝土坝基础时一定程度上增大明洞的荷载,其上明洞的轴力和弯矩分别为软岩基础上明洞的1.2~1.6倍和1.6~2.4倍;明洞拉应力集中现象主要出现在边墙位置。建议对混凝土坝基础上的明洞采取减载和优化边墙结构措施。     

EPS板减载对宽坦式高填黄土明洞衬砌结构内力和厚度的影响分析

为改善宽坦式高填黄土明洞衬砌结构内力,减少衬砌厚度,采用数值模拟方法,研究有无EPS板减载时高填黄土明洞不同位置处衬砌结构内力和厚度随回填土高度的变化规律。结果表明:无EPS板减载时,明洞衬砌结构内力随回填土高度的增加呈线性增长,拱顶至拱肩衬砌厚度呈非线性增长,其余位置呈线性增长;有EPS板减载时,明洞衬砌结构内力和厚度随回填土高度变化规律均与荷载作用下EPS板的应力—应变曲线有关,当EPS板处于塑性阶段时,内力与厚度变化率最大,减载效果最佳,当EPS板进入硬化阶段后,减载效果开始逐渐减弱;明洞的宽高比越大,衬砌结构内力和厚度越大,内力减载量也越大,减载效果越明显。建议针对不同回填土高度、宽高比的宽坦式高填黄土明洞,进行EPS板密度和厚度的优化设计。     

铁路路堑型明洞顶部垂直土压力的研究

由于受到地形限制或平山造地政策的影响,浅埋明洞回填深度可能较大。而规范中的土柱法仅适用于回填高度较低的情况且并未对回填土高度做出明确规定,所以简单使用土柱法已经不能满足工程安全与经济的要求。为明确明洞回填土荷载,基于Marston理论考虑明洞拱部上方内外土柱变形差异以及偏压回填情况,建立路堑型明洞拱顶垂直土压力计算模型和计算公式,给出不同埋深土压力系数的取值,理论计算与有限元结果相吻合。研究结果表明:路堑型明洞拱顶垂直土压力变化趋势为先增大后减小;埋深大于10 m时,路堑对称型明洞拱部垂直土压力的分布规律不再随埋深改变而发生变化;路堑偏压型的分布规律则随埋深变化而变化,埋深增大两侧土压力分布系数差值越小。     

不同工况下横通道开挖对隧道结构影响分析

基于FLAC 3D软件建立摩擦土层及黏性土层等多种工况下的三维数值模型。从主线隧道中心线上方土体位移、地表沉降及主线隧道衬砌内力等方面,研究分析了横通道开挖对隧道结构的影响作用。主要研究结论为:(1)在不同的隧道间距、隧道埋深及地质条件下,横通道开挖对主线隧道上方位移、地表沉降及隧道衬砌受力分布的影响也不尽相同;(2)随着横通道向前掘进,横通道中心线上方垂向位移及地表沉降呈现逐步增加趋势,对横通道中心线上方的影响更为显著;(3)随着横通道的开挖,先行隧道拱顶处的衬砌弯矩、边墙处的衬砌轴力呈增加趋势,后行隧道拱顶、边墙处的衬砌弯矩以及边墙处的衬砌轴力在横通道开挖结束的几个计算步时均呈增加趋势。     

基于颗粒流的高填黄土减载明洞土拱效应分析

实际工程表明,在高填方明洞顶部铺设EPS板可以明显降低洞顶竖向土压力,然而,铺设EPS板会将明洞上方的土体荷载向其两侧土体转移,导致其侧墙所受水平土压力及弯矩增大。为了进一步减小明洞受力,提出一种新型减载明洞体系,利用颗粒流软件建立相应数值模型,从竖向、水平土压力、颗粒竖向位移、颗粒间接触力和孔隙率等细观层面研究该减载明洞的荷载传递机制。此外,基于该减载体系,分析EPS板距拱顶位置、宽度和填土压实度对明洞土拱效应的影响。研究结果表明:该减载体系可以扩大土拱效应的影响范围,同时减小洞顶与洞侧土压力;土拱效应的发展与洞顶土体孔隙率的变化相关,孔隙率随EPS板距拱顶距离的增加逐渐减小,土拱效应逐渐减弱,洞顶土压力逐渐增大;随EPS板宽度的增加先增大后减小,当EPS板宽度W=1.5D时,孔隙率达到最大值,土拱效应最强,洞顶荷载分布最少;填土压实度越大,柱土应力比越大,洞顶土压力越小。     

高水压作用下单线铁路隧道衬砌受力特性研究

铁路隧道衬砌结构在运营期间的高水压致裂问题日益突出。本文依托新圆梁山隧道工程,采用数值分析方法研究了三种隧道衬砌断面在全环均匀水压力下的内力分布特征。结果表明:普通衬砌(a型)、蛋形衬砌(b型)的轴力和弯矩分布相似,拱顶、拱腰和拱脚为这两类衬砌的受力最不利位置;圆形衬砌(c型)的拱顶和拱腰为受力最不利位置。不同的衬砌结构形式下,衬砌轴力值和弯矩值与水压力均呈线性关系。不同衬砌断面形式下轴力相差不大,采用蛋型衬砌能小幅度降低衬砌所受弯矩,而圆形衬砌则能显著降低衬砌所受弯矩。研究成果可为类似工程提供借鉴和参考。     

桩网结构路基土拱效应离散元研究

建立桩网结构路基的离散元模型,从散粒体和微观角度研究了桩网结构路基中的土拱效应。结果表明:土拱效应随着桩间土的沉降而发展变化,桩间土发生较大的沉降后土拱效应才能达到极限状态。桩顶平面上方1.67倍桩净间距范围内土体的密实度受土拱效应的影响,土体孔隙率的变化与土拱效应发展保持一致。土拱效应发展过程中土体的竖向位移远大于水平向位移,桩顶上方竖向位移小于桩间土上方竖向位移,等沉面的高度位于2.7倍的桩净间距处。土体中竖向应力的影响范围与密实度的影响范围相同,土拱高度为该影响范围的上限,在该范围内土压力系数随土拱效应发展而变化,但两者变化并不一致,且土压力系数在桩顶上方和桩间土上方也不相同。     

超高回填明洞设计探讨

由于超高回填明洞设计缺乏理论指导及既有工程实例作为参考,对其研究具有重要的工程实际意义。通过数值模拟及理论分析对明挖法和盖挖法明洞工程结构受力进行了对比分析,结论如下:2种施工方法明洞结构受力有着本质的不同,明挖法竖向土压力为静止土压力,盖挖法竖向土压力为主动土压力;由于受力、结构的限制,明挖法修建超高回填明洞是不可行的;盖挖法超高回填明洞竖向压力大大减小,其值不受回填土高度变化影响,是修建超高回填明洞的有效方法。     

狮子洋水下盾构隧道衬砌结构受力的现场测试与计算分析

以狮子洋水下盾构隧道为背景,对管片衬砌在施工期和后期所受外荷载和结构内力进行长期现场追踪测试,总结衬砌结构外荷载和内力随时间变化规律。并采用三维壳-弹簧计算模型对大断面宽幅管片结构内力分布形态进行研究,与现场测试结果相互验证。研究结果表明:施工期管片衬砌脱环后容易形成无水压环箍作用下土体偏压状态;施工后期水、土压力长期随时间增长,结构内力随之增大,结构轴力较弯矩增幅明显。三维壳-弹簧计算模型适应大断面宽幅管片衬砌结构计算。试验和数值计算结果在量值和分布规律上一致。封顶块处弯矩较小,其弯矩由临近环衬砌结构承担;受环间接头错缝效应影响,幅宽边缘靠近衬砌结构纵缝处轴力发生突变。     

高填方黄土明洞顶EPS板和土工格栅共同减载计算及土拱效应分析

基于土压力减载机理,推导高填方黄土明洞顶铺设EPS板和土工格栅共同减载的明洞顶土压力计算公式。利用ANSYS软件模拟不同弹性模量EPS板和土工格栅共同减载时高填方黄土明洞顶的土压力,采用荷载等效方法将数值模拟的"波浪形"分布的土压力转化为均布荷载,将其与公式计算结果进行对比。结果表明:明洞顶土压力均随内外土柱沉降差的增大而减小,公式计算结果与数值模拟结果最大相对误差为3.59%,验证了计算公式的正确性。取EPS板的弹性模量为0.5 MPa,数值模拟明洞顶土体的竖向位移、最小主应力和竖向应力。结果表明:EPS板变形导致明洞顶最小主应力方向发生旋转,指向外土柱,在0.83倍洞高处出现明显的"应力拱";"应力拱"下部竖向、横向土压力均减小;内外土柱沉降差越大,"应力拱"横向应力越大,承担上部荷载越大,土拱效应越明显。     

深埋大断面土质隧道初期支护结构受力特征研究

研究目的:新奥法中初期支护结构作为承受围岩压力的主要结构有着重要的作用。为研究深埋大断面隧道复合衬砌中初期支护结构的受力特性,本文以银西高铁庆阳某隧道为工程依托,通过现场监测,得到深埋大断面红黏土隧道的围岩压力、钢拱架内力与混凝土内力变化规律,分析初期支护结构内力变化规律及分布特征。研究结论:(1)红黏土大断面隧道两侧的围岩压力大于拱顶和仰拱内的围岩压力;(2)初期支护结构内力呈现出上大下小的分布规律,且钢拱架承担了大部分围岩压力;(3)可考虑在边墙及拱顶增高钢拱架标号,仰拱内减少拱架截面积,以达到充分利用材料降低造价,提高衬砌结构可靠性;(4)本研究结果可以为类似地质条件下衬砌设计优化及隧道初期支护的施工组织提供参考。     

逆斜切式隧道门的受力机理

采用有限元对逆斜切式隧道门的受力进行三维数值模拟分析,并用几何相似比为1∶30的模型试验结果进行验证。分析结果表明,逆斜切式隧道门结构的受力基本特征是:隧道洞口结构处于三维受力状态,按壳体结构进行设计比较合理;当进入洞内距离超过隧道洞径约2.5倍的洞身地段,纵向轴力值远小于横向轴力,且横向弯矩是纵向弯矩的6~10倍,因此在结构设计中可不必考虑纵向内力的影响,简化成平面应变问题;在衬砌突出部位与岩层的交界面上,拱顶沿隧道纵向的轴力达到最大值,而且处于受拉状态,因此对洞口段衬砌结构纵向应进行配筋设计。     

土的侧向压力对盾构隧道衬砌圆环内力的影响

通过采用荷载结构模式中连续的自由变形圆环法，对某城市地铁区间隧道衬砌圆坏内力的计算，发现土的侧抗力、侧土压力值对内力影响很大，特别是对弯矩的影响，这将对工程造谷产生很大影响，提出如将抗力系数取为实验值1／4到1／6，或土压力系数稍高于静止土压力系数，将侧向抗力和侧向土压力综合考虑，内力计算结果将是合理的。     

沟槽式高填黄土明洞洞顶垂直土压力统一计算方法

针对明洞洞顶垂直土压力计算公式的不足,综合考虑大、小边坡坡角,推导沟槽式高填黄土明洞洞顶垂直土压力统一计算公式。采用荷载等效方法,将数值计算的明洞顶土压力的抛物线型分布荷载转化为均布荷载,与统一公式计算得到的均布荷载进行对比,验证统一计算方法的正确性。取20°的小坡角沟槽,利用统一计算方法研究填料性质、明洞与沟槽宽度比等参数的敏感性对土压力的影响。结果表明:小坡角沟槽情况下,填土内摩擦角、黏聚力以及沟槽与明洞宽度比对明洞洞顶土压力基本无影响;填土模量增大可以减小土体压缩相对变形量,减轻明洞洞顶应力集中现象。因此,在实际小坡角沟槽明洞工程中,应尽量提高土体压实度,减小明洞结构受力。     

基于Biot固结方程研究地下水位对隧道防水型衬砌的内力影响

地下水位是影响隧道防水型衬砌力学行为的一个重要因素。为了研究地下水位变化对防水型衬砌的影响,基于Biot固结方程考虑17种不同地下水位的工况。利用FLAC3D有限差分法数值模拟,采用均匀连续各向同性渗流模型,得到不同工况下隧道衬砌结构的内力。通过分析衬砌在不同水位下产生的内力,总结地下水位变化对隧道防水型衬砌受力的影响规律。计算结果表明:地下水位在大于隧道半径3倍以上的范围,拱顶、拱肩与拱墙的轴力不随地下水位变化;在地下水位变化的时候,拱顶为最不利位置,拱墙为安全位置。     

海底隧道衬砌结构受力特点及断面形状优化

针对青岛胶州湾海底隧道工程,选取设计参数不同的8个衬砌结构断面,基于荷载-结构模型,采用ANSYS有限元程序,分析衬砌结构受力特点.结果表明:衬砌结构仰拱半径不宜过大,减小仰拱半径可以有效减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩;衬砌结构拱脚半径不宜过小,增大拱脚半径虽可以有效减小衬砌结构拱脚、拱底处的弯矩,但同时会增加拱顶的弯矩;衬砌结构拱顶半径不宜过大,增大拱顶半径可以减小衬砌结构仰拱、拱脚处的弯矩,但将增大拱顶、拱肩处的弯矩.基于上述研究结果,根据相关规范设计要求,以各衬砌结构断面各单元最小安全系数最大化为目标函数,对青岛胶州湾海底隧道位于海域段V级围岩段衬砌结构断面形状进行优化,优化得到的衬砌结构断面,各处内力值(弯矩、轴力)更加均匀,安全系数离散性小,便于衬砌结构配筋设计.     

大断面膨胀土隧道结构受力特性测试研究

研究目的:大断面隧道因其跨度大、形状偏于扁平,在施工过程中表现出独有的力学特点,经常造成围岩大变形侵限、区域性塌方、底鼓和支护结构开裂等施工风险,而这些特点在膨胀土环境中表现的尤为明显,因此研究大断面膨胀土隧道支护结构受力特性具有重要的工程应用意义。本文以银西线庆阳隧道为工程背景,首先通过室内试验确定红黏土围岩的膨胀参数,然后利用现场监测手段对庆阳隧道支护结构的力学特性进行研究,并评价其支护结构受力性能,以期对同类隧道施工起到一定的指导作用。研究结论:(1)隧道膨胀土最大膨胀率为67%,最大膨胀力达到67.42 kP a,施工过程中应加强超前地质预报,尽可能减少水害对施工的影响;(2)隧道拱顶、两侧拱腰及底部具有较大围岩压力,围岩压力呈对称分布,初支闭合后拱顶附近围岩压力基本稳定,但两侧拱腰及仰拱位置围岩压力持续增大;初支闭合后钢拱架受力持续快速增长且受力基本对称,隧道上部初支内钢拱架受力始终较大,拱顶钢拱架应力最大达到1.46 MPa;(3)二衬施作后,初支仍存在一定变形,二衬左右两侧衬砌压力增长显著,二衬两侧拱脚位置混凝土应力增大明显;(4)本研究成果可为大断面膨胀性隧道设计优化和安全施工提供理论指导与科学依据。     

波纹钢板拱桥横断面受力分析与优化设计

波纹钢板拱桥横断面抗弯刚度小,在其使用过程中易发生变形而导致在铁路工程中推广应用受限。为此,考虑到波纹钢板拱桥主要借助竖向土压力与水平土压力的共同作用减小截面弯矩,根据正常服役工况下的荷载模式进行结构受力分析,提出波纹钢板拱桥的合理受力状态,即最大限度地减小拱桥横断面主截面弯矩与拱脚水平推力,并得到了波纹钢板拱桥的横断面轴线及内力计算公式。合理受力状态下的横断面与内力特性分析表明:波纹钢板拱桥的横断面形状与竖向土压力及水平土压力有关;拱桥结构的最大轴力出现在拱脚位置,而最小轴力出现在拱顶位置。最后给出了波纹钢板拱桥工程应用建议以及设计流程。     

既有隧道上方挖方承载拱效应模型试验研究

设计室内模型试验,改变模型中既有隧道的围岩级别和衬砌刚度,采用在既有隧道上方挖方的方式,考察挖方过程中既有隧道围岩压力、衬砌变形和结构内力的变化规律,研究既有隧道的承载拱效应。结果表明:衬砌刚度较大时Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.3～1.6和1.6～2.2范围内,衬砌刚度较小时Ⅴ级和Ⅵ级围岩的承载拱外边界分别位于覆跨比1.6～1.9和1.9～2.5范围内;衬砌刚度越大承载拱范围越小,围岩级别越差承载拱范围越大;在既有深埋隧道上方不断挖方时,会逐渐对承载拱产生影响,使既有隧道经历无影响(覆跨比大于2.9)、弱影响(覆跨比处于1.4～2.9)和强影响(覆跨比小于1.4)3个阶段;既有隧道上方挖方过程中,拱顶相对其他部位受影响最大。研究成果可为类似近接隧道工程的设计和施工提供借鉴与参考。     

地裂缝场地隧道结构与围岩作用机理

针对西安地铁在地裂缝活动条件下引起的工程问题,通过数值模拟,结合地裂缝区域的设计方案,分别从地表沉降位移、衬砌沉降位移、围岩位移场、围岩土压力、衬砌结构内力等方面,分析地裂缝活动条件下隧道结构与围岩变化特征和作用机理.