侵蚀环境和荷载耦合作用下盾构管片氯离子扩散规律试验研究

文章针对盾构隧道赋存环境及结构受力特点,构建了氯盐侵蚀环境和结构荷载耦合作用下的盾构管片结构单侧一维侵蚀试验方法;研发完成了相应的人工环境模拟试验装置,并进行了侵蚀试验;探讨了侵蚀环境氯离子浓度、侵蚀时间和荷载水平对氯离子入侵及其含量分布规律的影响。结果表明:随着环境中氯离子浓度的提高以及侵蚀时间的延长,混凝土保护层中的氯离子含量逐渐增加;同时,外荷载的存在改变了结构混凝土内部的孔隙特征,直接影响了氯离子的入侵,表现为拉应力有利于氯离子入侵,而压应力则相反。     

盾构隧道局部渗漏水对其力学特性的影响

针对盾构隧道接头渗漏水导致结构长期运营安全性能降低这一问题,文章建立了接头渗漏水数值计算模型,对接头局部渗漏水条件下管片结构的力学响应进行分析。结果表明:接头渗漏水会导致接头附近管片所承担的外水压力明显减小,且减小量值随着渗流量的增加而增加;管片结构内力随着渗流时间的增加,体现为快速增加、缓慢增加和趋于稳定的三阶段变化特征;结构弯矩与轴力的量值与接头渗漏量呈现正相关性;当接头总的渗漏量相同时,外侧受拉区接头处渗漏水对结构内力的影响大于内侧受拉区接头处渗漏,且单一接头漏水时,接头处的水压力减小量值大于多接头渗漏工况;对于多接头渗漏而言,渗水条件下结构渗漏侧的弯矩值大于未渗漏侧的弯矩值,表现出明显的非对称分布特征。     

输水盾构隧洞复合衬砌结构设计计算研究

软土有压输水盾构隧洞采用管片外衬和整筑预应力内衬作复合式衬砌的设计计算中,为能较好考虑内衬与外衬管片的相互作用,以及内衬预应力荷载在隧洞施工和运营各阶段对复合衬砌结构受力的影响,本文提出了一种新的实体叠合计算模型。由于确定管片纵缝接头抗弯刚度的复杂性,文中建议对用数值模拟管片纵缝接头刚度采用了一种非线性耦合弹簧＂接触对＂的模拟系统。在采用实体单元建模的条件下,由于计入管片接头刚度的力学处理困难,文中研究了一种能以模拟管片接头刚度的简化计算方法。根据内、外衬砌接触界面处理方式的不同,文中提出了5种适合不同界面条件内、外层衬砌的相互作用模型。此外,本文还研制了内衬预应力荷载的一种转化程序,以解决采用等效荷载法施加预应力时的前处理问题。上述各点创意构思已在南水北调中线一期穿黄隧洞的结构设计研究中得到了具体反映和成功应用。     

深埋蓄排水盾构隧道衬砌结构力学性能试验及数值分析

深埋蓄排水盾构隧道承受高内水压力及较大的外部水土荷载,与公路、地铁盾构隧道在计算理论、建造技术及运营维护等方面有很大不同。鉴于蓄排水隧道衬砌结构承载模式的变化,文章开展了整环力学行为试验及三维数值分析,研究了内水压作用、错缝拼装及接头螺栓安装方式等对蓄排水盾构隧道力学性能的影响。研究结果表明:通缝拼装的蓄排水盾构隧道从隧道内空水变化至隧道内满水时,隧道的变形大幅增加;内水压0.6 MPa时隧道的竖向和水平收敛变形分别为空水时的2.2倍和3.2倍。与通缝拼装的蓄排水盾构隧道相比,错缝拼装时衬砌环的收敛变形减小15%～25%,最大接头张开量及螺栓拉力减小25%～40%。内水压增大会造成蓄排水盾构隧道接头螺栓屈服,最先出现螺栓屈服现象的接头位于衬砌环最大负弯矩荷载作用位置附近;由于盾构隧道的破坏多源于接头螺栓屈服,该接头位置为蓄排水盾构隧道的薄弱点。对于采用双排螺栓连接的蓄排水盾构隧道,拱顶、拱底90°区域范围内靠近接头外弧面位置的螺栓可以不拼装;但两侧拱腰90°区域内靠近接头内弧面位置的螺栓必须安装,否则会造成最大负弯矩荷载作用位置附近的接头螺栓拉力增大5%～14%。     

基于D-P屈服准则考虑渗流影响的深埋有压圆形隧洞弹塑性解

山岭深埋隧洞具有丰富的地下水,有压隧洞在施工和运营的不同工况条件下,隧洞围岩第一主应力会发生变化。为了研究有压隧洞施工和运营阶段的地下水的渗流影响,文章基于D-P屈服准则,在平面应变条件下推导了深埋有压圆形隧洞第一主应力分别为径向应力和切向应力时考虑渗流影响的弹塑性解。结果表明:D-P准则模型计算结果与M-C准则计算结果基本吻合,且计算结果较M-C准则偏于安全,验证了该模型的正确性;考虑渗流作用时弹性区径向应力和切向应力随着径向距离的增加不再关于地应力对称,且随着渗透压力的增大,其偏离地应力程度越大;同种条件下,低内水压阶段随着渗透压力的增大塑性区半径增大,高内水压阶段随着渗透压力的增大塑性区半径减小。     

内压载荷下X80管道裂纹应力分布规律研究

为了研究内压作用下管道裂纹应力场分布规律,以含有表面裂纹的X80管道为研究对象,对不同形状、不同方向、不同内压、不同尺寸的含裂纹管道进行仿真分析和实验验证。结果表明:裂纹尖端处应力远大于裂纹中心应力。裂纹形状对应力影响作用较小,随着裂纹方向与管道轴向夹角增大,裂纹尖端应力先增大后减小,随着管道内压、裂纹深度、裂纹长度的增大,裂纹尖端处应力随之线性增大。其中,裂纹长度对裂纹尖端应力的影响小于管道内压和裂纹深度。     

平导设置对富水山岭隧道排水效应影响研究

地质情况复杂且富水的部分长大山岭隧道,通常会采用平行导坑作为隧道施工运输通道或运营期间的安全疏散通道,但就平导设置对隧道正洞地下水分布情况的影响尚无深入研究。文章在对现有平行导坑设计分析的基础上,分别针对不同水头高度、围岩级别、平导与正洞水平净距及竖向高差等因素,计算和分析了设置平行导坑对正洞水压力的影响。结果表明:初始水头越高的隧道,设平导后水压力降低幅度越大;对于不同围岩级别,正洞水头降低幅度随着围岩渗透系数降低而增大,围岩条件越好,平导排水效应越明显;平导与正洞的水平净距选取可优先考虑施工组织及安全的因素,一般可取20 m左右;竖向位置的变化对水压力分布影响不大,竖向高差不必过大。     

深部采动围岩宏观变形破坏的力学演化规律

为了研究深部采动围岩变形失稳的宏观破坏特征和应力分布的时空演化过程,文章采用计算机数值模拟和实验室相似模型试验方法,探讨了深部采场顶板裂隙场、覆岩位移场和围岩应力场的力学演化规律。结果表明:深部采动围岩经历了瞬时突变、间跃发展、循序卸载、连续传递的渐变破坏过程,覆岩裂隙场具有卸压失稳、起裂张开、萌芽发育、渗透贯通、萎缩拟合、封闭稳定的时空演化特征。岩层运移呈现出较强的"临位空间效应":顶板围岩离煤层越近,位移测线的影响越为强烈,空间影响的范围越为集中,岩层连续移动的阶段可控性越弱;反之顶板岩层距离煤层越远,临位空间的影响机制减弱,覆岩下沉量变小,应力传递与荷载转移的灵动性渐趋惰性。深部采动围岩的应力分布具有近场力学效应影响显著、远场力链承载体系减弱的区间性演化特点,围岩应力短时间内的骤然增大和不规则开采引起的高应力集中叠加效应是诱发采场冲击性动力失稳灾害事故的力学根源。     

黄岛地下水封洞库地应力对裂隙岩体渗透特性影响研究

裂隙岩体渗透特性是评价地下水封洞库水幕系统水封效果的核心内容,而裂隙岩体总是赋存于一定的应力场和渗流场中,因此,研究地下水封洞库地应力对裂隙岩体渗透特性的影响具有重要意义。文章以黄岛地下水封洞库建库围岩为例,首先介绍了裂隙岩体渗流运动的基本规律及应力对渗流作用的影响机理;在此基础上,通过水压致裂法和压水试验分别得到了研究区岩体地应力、渗透特性参数及其随孔深的分布规律,并通过回归分析建立了裂隙岩体渗透系数与地应力关系表达式。结果表明,渗透系数随地应力增大而逐渐减小,并呈负指数变化规律。最后分析了渗透系数与地应力呈负指数关系的主要原因。该研究结果可为地下水封洞库埋深设计、水幕孔布置等提供参考。