顺层缓倾复合介质边坡水力驱动型滑移破坏机制研究

为了对水力作用下顺层缓倾复合介质边坡稳定性进行定量研究,以沪蓉高速公路彭家湾某同类边坡为例,基于极限分析上限法原理建立针对性的简化力学计算模型。首先,根据位移协调条件以及塑性力学关联流动法则,构建出一个机构允许的应变速度场;其次,根据流体力学原理,在Hoek和Bray假设的基础上,建立适合顺层缓倾复合介质边坡的水压分布模型。通过边坡内水压分布特性分析,得出水力作用（潜滑面扬压力、潜滑面动水压、后缘张裂隙静水压）均与后缘张裂隙内充水高度直接相关;在此基础上,分别建立临界充水高度与临界降雨强度表示的边坡滑移失稳判据。通过该力学模型,计算工程案例边坡滑坡时后缘张裂隙临界充水高度值与临界降雨强度值,确定边坡滑移失稳时滑移面具体位置,并进行边坡稳定性的敏感性因素探讨。研究结果表明：当后缘水位达到临界充水高度或降雨强度达到临界值时,边坡沿着稳定性系数最小的潜滑面发生滑移破坏;底层滑体厚度仅影响底层滑体的稳定性;岩层倾角小于15°时,各潜滑面稳定性受倾角影响较大;水力作用下边坡稳定性下降主要由潜滑面扬压力与张裂隙静水压引起,动水压几乎没有影响。     

土石坝水力劈裂的发生机理及处理办法

土石坝心墙在施工、使用过程中，由于各种原因会在心墙表面形成初始裂缝，在土石坝蓄水期时，由于水头快速升高，心墙表面水压力急剧增加，会促使心墙表面存在的初始裂隙扩展，从而引起心墙破坏，这种现象称为水力劈裂。土石坝水力劈裂发生需具备两个条件，一是心墙存在初始裂隙，二是水压力的急剧升高。水位的急剧上升将在心墙表面裂隙形成较高的水力坡降，促使裂隙的发展，从而形成水力劈裂。控制裂隙在高水力坡降作用下的扩展是防止水力劈裂的有效措施；劈裂灌浆在心墙轴线形成防渗帷幕，可有效控制裂隙的发展。     

沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能分析

接头是沉管隧道中最薄弱并且非常关键的部位,其力学性能直接影响整条沉管隧道的安全性与水密性。目前研究仅限于沉管接头的压缩、压弯和压剪等简单荷载工况,未对组合工况如压-扭-剪工况进行过研究。以红谷隧道工程为背景,基于三维精细化建模技术,通过有限元软件ABAQUS建立了表征沉管隧道接头性能的力学模型,并考虑不同材料的非线性本构模型,开展了沉管隧道接头在压-扭-剪组合条件下的力学性能模拟研究,并与压-剪组合条件下的力学性能进行对比了分析。通过数值模拟计算揭示了沉管接头GINA橡胶止水带超弹性材料的特性及水密性,并得到了接头在压-扭-剪组合条件下的水平荷载-位移曲线,从而获得了接头的扭剪刚度和极限承载力,表明接头在压-扭-剪工况下的抗剪强度比压-剪工况下的抗剪强度小。同时,对混凝土及钢剪力键进行局部分析,得到其在压-扭-剪组合条件下的受力特性,并预测了剪力键可能的破坏模式。研究结果可为今后沉管隧道接头设计提供参考。     

沉管隧道管节接头剪切破坏试验

为了研究沉管隧道最薄弱的环节-接头的受力特点和破坏机制,根据实际沉管隧道接头形式开展了1：4大比例尺的沉管隧道接头低周往复加载拟静力试验。试验模型由2节钢筋混凝土管节组成,接头主要由钢筋混凝土剪力键和橡胶填塞垫构成,为贴近实际工程结构反应,试验模型采用与实际工程相同强度的钢筋和商品混凝土。利用顶杆位移计和拉线位移计等传感器得到了试验模型在循环剪切荷载作用下的接头破坏机理,并分别从沉管隧道试验模型的荷载-位移滞回曲线、接头抗剪承载力、接头与管段刚度比3个方面对试验结构进行了分析。试验结果表明：橡胶填充垫对沉管隧道接头具有缓冲保护作用;低周往复荷载下沉管隧道接头主要经历橡胶垫弹性变形、橡胶垫与剪力键协同作用及剪力键塑性变形3个阶段;接头总抗剪承载力为674 kN（3个单键的抗剪承载力分别为417,320,417 kN）,接头抗剪能力并不是单个剪力键承载力的线性叠加,需考虑剪力键之间的协同作用;接头与管节的剪切刚度有效比为1/960~1/672,接头是抗震的薄弱环节,在受到地震荷载时,变形主要集中在接头部位,并主要由接头处剪力键承担;接头的破坏模式主要体现在剪力键凸榫的端部剪裂及其失效后接头的不可恢复性变形。     

地震作用对黄土隧道稳定性的动态影响

土体抗剪、抗拉强度指标作为隧道稳定的主要控制参数,对某黄土隧道通过FLAC3D运用强度折减原理分析了随着地震作用的持续,隧道土体抗剪、抗拉强度指标和安全系数的动态变化过程。工程计算结果表明:黄土隧道在地震作用下土体的抗剪强度和抗拉强度都明显降低,破坏首先出现在侧墙部位,且随着地震作用的持续,其范围迅速扩大并向拱顶延伸,同时在拱顶也出现破坏区,当拱顶和两侧墙破坏区完全贯通时,隧洞就产生整体破坏;地震作用下黄土隧洞的剪应变增量随着地震作用时间而增大,但其增长速率随着地震的持续而减小。     

浅析深埋富水地区隧道渗漏水病害注浆整治

目前国内很多运营隧道面临病害问题,其中隧道内部发生渗漏水现象是较为高发的病害之一,尤其是很多深埋富水地区,因岩体裂隙发育,渗漏水病害的发生,使得隧道周边围岩长期受水环境浸湿,会降低围岩承载力,原始水压力场发生变化,混凝土衬砌易受压破裂,由此诱发隧道发生其他形式的病害。而且还造成隧道周围水系的破坏,影响原有生态平衡,造成环境灾害。针对深埋隧道,岩体裂隙发育,通过流固耦合对渗流场进行分析,采用 ANSYS 软件提供的热传导分析部分的有限元方法来求解渗流问题,再对比解析解及现场监控资料为深埋隧道漏水病害注浆堵水设计提供参考。     

季节性冰冻地区公路边坡侵蚀破坏模式

针对季节性冰冻地区的路基边坡冻融滑坍破坏现象,分析了公路边坡破坏的各种侵蚀模式和影响因素。采用坡面流拖曳力法、坡面流量法等对坡面水力学特征进行研究,测算坡面冲刷临界坡度值,分析临界坡度与冲刷量之间的关系;同时采用有效应力法研究了冻融作用下的边坡安全稳定性。结果表明：季节性冰冻地区粘性土最大冲刷强度对应的临界坡度与目前常用的坡度值很接近或交叉,为减少水土流失,建议放缓土质边坡;边坡土体冻结前含水质量分数和融化后抗剪强度下降幅度是影响冻融滑坍破坏的主要因素,建议在设计中要考虑冲刷和冻融因素,并对特殊土质边坡进行相应的物理力学指标检测和稳定性验算。     

隧道爆破荷载作用下中隔壁动力响应与破坏机理研究

中隔壁结构作为隧道初期支护体系中重要的承载构件,在隧道爆破荷载作用下极易发生损伤开裂和破坏。首先依托双向八车道的港沟高速公路隧道工程,进行爆破荷载作用下中隔壁的动力损伤破坏试验,提出中隔壁支护结构的破坏形态及类型;然后利用ANSYS/LS-DYNA建立隧道爆破与中隔壁支护结构数值模型,采用流固耦合的方法模拟岩体爆破及中隔壁支护结构的动力响应,并考虑单段装药量、爆距等不同因素,研究其对中隔壁破坏模式及形态的影响。研究结果表明：隧道爆破荷载作用下中隔壁破坏形式分为背爆侧混凝土开裂剥落、中心区域混凝土震塌成洞、钢筋网及纵向连接钢筋震坏断裂、钢拱架发生扭曲变形4种类型;中隔壁支护结构在爆破应力波的作用下处于反复拉压状态,并在岩石破碎抛掷冲击的作用下发生破坏,且中隔壁支护结构中心、顶部和底部是结构最易发生损伤的部位;单段装药量和爆距的改变会对中隔壁支护结构的破坏范围和破坏程度产生影响,且结构呈现出不同的破坏形态,与现场试验结果一致;建议隧道爆破施工时爆距控制在40 cm以上,单段药量控制在7.2 kg以下,以减少对中隔壁支护结构的破坏。     

复杂环境下沉管隧道接头渐进破坏模式探析

海底沉管隧道所处海床的地质与水力条件恶劣、受力情况复杂,接头部位易发生病害.复杂环境下不良地质与不利荷载共同作用下海底沉管隧道接头渐进破坏模式的研究目前处于起步阶段,通过广泛调研将沉管隧道接头病害分为接头错位、止水带破损、剪力键破坏、接头渗漏水等类型,并系统分析了具体成因,结合深中通道沉管隧道工程地质、水文、气象条件等...     

含2条软弱夹层的隧道围岩开挖过程破坏模式研究

软弱夹层是山岭隧道常遇的不良地质现象,目前关于多条软弱夹层对隧道围岩稳定性的研究尚不多见,为加强该方向的研究,采用模型试验和数值模拟研究含2条软弱夹层隧道围岩开挖过程中的破坏模式。基于实际工程背景,设计模型试验,从裂隙损伤演变、应力场及应变场变化规律3个方面得到相吻合的破坏模式：首先拱顶受剪应力影响,沿软弱夹层发生滑移,进入塑性区;然后左、右拱肩受张拉应力影响,发生了塑性变形,出现张拉裂隙;接着右拱脚受剪、拉应力影响,进入塑性区;最后左拱脚受拉、剪应力影响,进入塑性区。采用FLAC^3D软件对试验进行模拟,将模拟结果与试验结果进行对比,并分析含单条软弱夹层和含2条软弱夹层隧道围岩破坏模式的差异性。结果表明：数值模拟结果与试验结果吻合良好;2条软弱夹层的存在会抑制软弱夹层下方隧道的水平收敛;隧道顶拱之上塑性破坏区域与水平面的倾角更小,表现出更危险的破坏趋势;顶拱区域、左拱脚与左中墙连通面应作为不利区域重点考虑;含2条软弱夹层的隧道围岩破坏模式有不同于单软弱夹层的规律,基于单条软弱夹层的支护方案进行设计、施工不能满足围岩稳定要求。     

土压平衡盾构不满舱掘进开挖面渗透破坏试验研究

为进一步提高土压平衡盾构掘进效率,常采用非满舱掘进模式进行隧道施工。而富水地层中非满舱掘进常常遇到开挖面失稳引起超挖量大等问题,针对非满舱掘进过程中开挖面渗透稳定的问题,结合济南地铁R2线某标段发生的开挖面失稳现象开展研究。首先,通过自制开挖面渗透破坏试验装置研究了渗流条件下非满舱掘进开挖面渗透破坏的条件以及类型。然后,分析了不同渗透破坏类型的出砂规律。最后,按照土体可移动细颗粒含量设置了6种不同级配的地层,探究土体级配与临界水力梯度的关系。研究结果表明:1)渗流作用下,在该地层会发生渗透破坏,其非发展型和发展型渗透破坏发生的临界水力梯度分别为0.5和0.8;2)非发展型渗透破坏出砂质量先增大后逐渐平稳,而发展型渗透破坏的出砂质量持续增大,成渐进破坏的特点;3)建立了可移动填料含量Pf与其临界水力梯度的关系式。     

高外水压山岭隧道衬砌结构安全性分析

基于中国在高外水压地区修建长大山岭隧道增多的现象,就涉及隧道衬砌结构在高外水压作用下的力学响应相关问题进行了研究.运用荷载结构法,采用三维有限元模型,以白芷山隧道工程为依托,对白芷山隧道在无外水压、均匀分布的高外水压和不均匀分布的高外水压影响下衬砌结构最大弯矩、轴力值大小及发生位置的变化进行研究；并根据外水压最大断面处衬砌结构的实际配筋情况计算其在外水压分布均匀和不均匀条件下的安全系数.分析结果表明:在高外水压作用下隧道衬砌结构的最大弯矩和轴力值都显著增加,且发生位置也在发生变化；水压最大断面处的安全系数大小在水压分布不均匀情况比水压分布均匀情况整体降低.     

岩溶隧道侧部岩盘突水机制研究

我国岩溶地区广泛分布,隧道建设穿越岩溶区域极易发生突水突泥灾害。为防止灾害的发生,采用隔水关键层原理对断层段岩盘突水力学机制进行了理论分析研究。就岩溶隧道断层段岩盘力学破坏机制探讨建立了溶腔位于隧道侧面条件下断层突水力学模型,推导了岩溶隧道断层段岩盘最小安全厚度计算公式,并结合工程实例对岩盘最小安全厚度的确定进行了讨论。对于压性断层,最小安全厚度计算依据以水压0.8 MPa为分界,小于0.8 MPa时应按抗弯强度分析,反之则应按抗剪强度分析,同时不能忽略零水压情况;对于张性断层,最小安全厚度计算需考虑侧方岩体上下部长度,较长部分更易被破坏,等长时下部易被破坏。确定岩盘最小安全厚度,综合考虑岩盘力学性质、溶腔水压及隧道半径等因素,对侧部岩溶隧道断层段设计施工提供了具体参考。     

考虑纵坡的隧道掌子面稳定性上限有限元分析

针对存在纵坡条件下的隧道掌子面稳定性和失稳破坏问题,采用高阶塑性变形单元上限有限元法开展多参数影响正交计算分析,获得临界加载系数N_(cr)上限解图表与拟合公式及以耗散能密度表征的破坏模式规律。研究表明:①纵向坡度对掌子面稳定性有不可忽视的影响,上坡(坡度角θ=10°)方向对应N_(cr)值小于平坡条件下4.5%～23.1%,内摩擦角φ越大相对降低量越大;②N_(cr)随φ增加而逐渐增大,φ较大时需考虑剪胀效应对稳定性的影响;③失稳临界状态发生时隧道掌子面由两条主要剪切带、三角形刚性运动楔形区和前方塑性区组成,上坡条件下(θ=10°)剪切带和塑性区旋转,剪切带与塑性区路径、范围减小,从而掌子面稳定性变差。     

基于受压区分区破坏机制的有腹筋RC梁受剪承载力公式

由于钢筋混凝土(RC)梁传力机理的复杂性和剪切破坏模式的多样性,现有受剪承载力公式的计算精度随受剪参数的变化呈现出明显的波动性,限制了其适用范围。以混凝土受压区的分区破坏机制为基础,从防止纵向钢筋提前屈服的角度建议受压区高度的修正公式,由此得到同时兼容低强和高强混凝土梁的混凝土剪切贡献表达式。通过斜裂缝倾角的转动规律分析混凝土与箍筋协同工作机制发挥的不同阶段,并据此建议箍筋项的剪切贡献计算原则。建立基于受压区分区的有腹筋RC梁受剪承载力公式。该公式以分项的形式直接体现剪压区、斜拉区和箍筋三部分的剪切贡献,能够反映混凝土强度、配箍率、纵筋率、剪跨比以及尺寸效应等主要受剪参数的影响规律。最后,基于剪切试验数据库对所提公式和当前主流公式进行验证,并对各公式的预测精度和参数敏感性进行对比评价。研究结果表明:所提出的受压区分区破坏机制能够较好地反映剪切破坏模式随剪跨比变化的演变规律;建议的受剪承载力公式具有较高的精确性和稳定性,对受剪参数的大范围变化不敏感,且对高强、大尺寸试件具有更好的适用性。     

配斜筋钢筋混凝土梁抗剪承载力分析及试验研究

针对剪压破坏时配有斜筋的钢筋混凝土梁斜截面受剪承载力进行了研究。根据钢筋混凝土受弯构件的剪切破坏机理,考虑腹筋和受压区混凝土共同承担剪力,基于极限平衡理论和对Rankine破坏准则进行简化后的混凝土强度破坏准则,建立配斜筋钢筋混凝土梁斜截面抗剪的平衡方程,提出极限承载力的计算公式。通过对2片配斜筋钢筋混凝土梁的试验数据进行对比,结果表明理论计算值与试验值较为吻合。     

土质隧道围岩未支护段破坏模式分析

基于土质隧道围岩破坏模式的模型试验结果,通过临界尺度分析了未支护段围岩发生破坏的机理.根据围岩破坏形态和破坏机理建立了分析模型,推导了未支护段围岩发生自稳破坏、进尺破坏和不破坏的理论条件,并结合工程实例进行了分析.研究表明:围岩开挖的临界尺度控制了围岩的破坏模式,当开挖跨度或进尺分别大于相应的临界尺度时,未支护段就分别发生自稳破坏模式或进尺破坏模式;分别得到了发生自稳破坏、进尺破坏和不破坏的理论条件及破坏高度计算式;工程实例验证表明理论分析结果与实际相符.     

地震作用下钢筋混凝土桥墩塑性铰区抗剪强度试验

针对地震作用下钢筋混凝土桥墩塑性铰区剪切破坏模式,研究了抗剪强度计算问题。进行了12根钢筋混凝土短柱桥墩拟静力试验,在试验基础上比较了各国主要桥梁抗震设计规范中的桥墩抗剪强度计算公式。辅以太平洋地震工程研究中心(PEER)钢筋混凝土柱拟静力试验数据库,对地震作用下塑性铰区混凝土抗剪强度影响因素进行了统计分析,最后参考相关规范及研究成果提出了桥墩塑性铰区抗剪强度计算公式。结果表明:满足中国现行桥梁抗震设计规范最低配箍要求的钢筋混凝土短柱桥墩仍有很大可能发生塑性铰区的剪切破坏,宜引起足够重视。     

随机裂隙不同特征对隧道围岩损伤影响分析

基于损伤力学、岩体力学及有限元分析方法,编制损伤附加位移有限元计算程序,选取一组倾向为NW45°的随机裂隙,讨论不同倾角、密度（损伤因子）及充填情况（拉剪、压剪应力传递系数）等对节理岩体隧道损伤影响。分析表明：隧道拱顶（底板）损伤附加位移绝对值随损伤因子的增大而增加,并成非线性关系;当倾角为0°和90°时,隧道的损伤影响与拉剪应力传递系数无关;相同倾角的随机裂隙对底板和拱顶关键点的损伤影响基本是相反的;倾角越小对拱顶下沉和底板隆起的损伤影响越大。拉剪应力传递系数对隧道损伤影响比压剪应力传递系数大;拉剪应力传递系数的变化对隧道损伤影响比压剪应力传递系数变化的影响小。     

钢壳混凝土沉管抗剪连接件力学特性研究

钢壳混凝土沉管隧道中抗剪连接件结构体系的设置是隧道建设施工的关键技术问题。依托深中通道项目，采用试验和数值分析相结合研究方法考虑抗剪连接件脱空、受力状态、开孔参数对钢-混凝土连接性能的影响，得到三因素影响下剪力-滑移曲线的差异以及连接件承载力、刚度以及腹板曲率的变化规律；通过有限元模型对脱空与非脱空连接件进行数值计算，分析混凝土压力、拉压应力变化和剪应力变化的规律，得到3种模型下脱空与非脱空承载力和刚度的衰减特征；基于脱空、受力状态和开孔的影响，建立了考虑三因素影响的抗剪连接件承载力计算方法，并由试验结果验证其可靠性。研究结果为深中通道钢壳混凝土沉管结构合理选择连接件奠定了基础。