落石冲击拱形明洞结构作用力传递机理模型试验研究

通过改变落石质量、下落高度及明洞回填土厚度,利用缩尺模型试验分析了落石冲击点明洞横、纵断面结构不同部位的冲击压应力以及拱顶加速度。研究结果表明:作用于隧道明洞结构的冲击压应力及其分布范围随落石质量、下落高度的增大而增大;在靠近落石冲击点正下方一定区域内,压应力随回填土厚度的增大而减小,而在较远区域压应力则随回填土厚度先增大后减小;冲击压应力最大值位于拱顶冲击部位,并随着距拱顶冲击点距离的增大而减小;拱形明洞竖向加速度最大,其次是纵向,横向最小。     

基于落石模型试验的棚洞垫层力学响应及优化设计

结合边坡落石灾害现状,基于落石模型试验,系统分析落石质量、下落高度、垫层厚度、加筋位置、加筋材料等因素对落石冲击力及其动态演化的影响,揭示落石冲击棚洞的动力响应规律,结合垫层自重与落石冲击作用双因素影响确定垫层最优厚度,并对垫层设计提出优化建议。结果表明：随着垫层厚度增加,棚洞所受落石冲击力呈非线性减小,减小幅度先大后小而后趋于稳定;在同一垫层厚度下,棚洞所受落石冲击力随落石高度和落石质量近似呈线性增大;当复合垫层设计为“5 cm河砂+聚苯乙烯泡沫(EPS)+10 cm河砂”时,落石中心处土压力峰值相较于纯河砂垫层降低约60%,缓冲耗能效果最佳;通过多元回归分析得到了落石冲击力计算公式,且计算结果与实验数据吻合良好。     

落石冲击力计算方法

针对现有落石冲击力算法计算所得结果严重偏小的问题,提出应考虑落石冲击过程中落石重量和反弹效应对落石冲击力的影响,并基于冲量定理和在日本道路公团算法以及有关试验数据的基础上研究新的落石冲击力计算方法。通过法向恢复系数引入落石反弹效应计算项,通过定义落石冲击力放大系数建立落石最大冲击力和平均冲击力之间的联系,从而导出适用于不同冲击速度、不同缓冲土层厚度和不同冲击角度的落石最大冲击力算法,并给出对应于工程中常见落石尺寸和冲击速度的冲击力放大系数取值曲线。通过实例验证了利用该算法和冲击力放大系数取值曲线可解决工程中有关落石冲击力的计算问题。     

落石冲击力计算方法的试验研究

为了探索明洞落石冲击后产生的附加荷载对结构物的影响，针对我国的工程实际，以若干单一化条件为基础，采用小比尺的模拟棚式明洞，通过重锤自由下落到土槽的实验方法，找出落石对具有不同厚度填土缓冲层的明洞产生冲击力的变化规律，提出了计算落石冲击力的实验式，为工程设计提供基本依据。     

落石冲击作用下棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应

以黔张常铁路（黔江—张家界—常德）为例，采用离散元软件PFC3D与有限差分软件FLAC 3D进行耦合计算，研究落石冲击棚洞-拦石墙顶板及缓冲层的动力响应，优化棚洞-拦石墙顶板及缓冲层设计，并对掺有轮胎颗粒的缓冲层进行研究。结果表明：可适当减小棚顶厚度，达到减轻结构自重与节省原料的目的，但棚顶厚度不宜小于0.4 m；适当增加缓冲层厚度可以减小落石冲击力，从而减小顶板挠度与应力，且缓冲层厚度不宜低于0.50 m；缓冲层添加20%～30%轮胎颗粒能有效提升缓冲层防护效果。     

兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石分析及防护设计

根据兰渝铁路范家坪隧道出口危岩落石发育情况,利用rockfall软件,建立危岩落石运动模型,分析落石的运动特征,实现危岩落石可视化,结合落石运动轨迹、落点分布情况、冲击能量、冲击力、弹跳高度、位移偏移量等研究成果,提出接长明洞和主被动防护相结合的落石综合防护措施。结果表明:在坡面坡积层和明洞回填土缓冲和消耗作用下,接长明洞和主被动防护网相结合的方法可有效防护危岩落石,降低落石冲击风险,保证洞口的安全。可保证隐式中墙复合式连拱隧道施工安全     

长大明挖隧道回填土堆载预压研究

堆载预压是处理软弱地基的一种有效方法,可以加快软弱地基的固结沉降。为了研究在明洞回填土地段采用堆载预压加快固结沉降的可行性,以京张高铁东花园隧道为工程背景,通过有限元软件对结构覆土进行验算,得出不同衬砌类型明洞所能承受的最大覆土厚度,利用改进高木俊介法对明洞回填土堆载预压进行计算,得出不同堆载高度下回填土的固结度。研究结果表明:(1)在堆载条件下,回填土的固结度随着覆土厚度的增大而呈幂函数形式减小,且固结度受堆载高度的影响不大。(2)在相同的覆土条件下,堆载高度对保留土高度影响较小;(3)堆载预压可以加快明洞回填土的固结沉降,是一个比较可行的方案。     

高填方双层衬砌式明洞土压力和结构内力特性研究

采用现场测试和数值分析方法对高填方双层衬砌明洞的土压力和结构内力进行研究,分析明洞上方和两侧土体的沉降差分布,结果表明:明洞垂直土压力系数在回填过程中先增大再减小最后趋于稳定,明洞上方与两侧土体沉降差使其土压力值高于土体自重;在相同的填方高度下,基础刚度对明洞荷载有较大影响,混凝土大坝基础明洞的土压力系数可达基岩基础明洞的1.5倍以上,内外侧土柱沉降差前者达到后者的6倍。在回填土达到拱顶前,衬砌结构内力变化缓慢,回填土达到拱顶后结构内力线性增大,且混凝土大坝基础明洞轴力值达到基岩基础明洞的1.2～1.6倍,弯矩值则为1.6～2.4倍;此外,外层和内层衬砌的轴力比与二者的厚度比基本一致,轴力分配与组合梁类似。     

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。     

考虑随机裂隙的寒区隧道冻胀力研究

研究目的:为进一步研究围岩和衬砌结构的冻胀力,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、室内试验和COMSOL数值模拟相结合的方法,探究考虑随机裂隙条件下,孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和模型下边界水头对冻胀力量值和分布规律的影响。研究结论:(1)衬砌结构的最大拉、压应力随孔隙率的增大而增大,随渗透率、随机裂隙孔径和下边界水头的增大而减小;(2)衬砌内、外边缘的第一主应力在拱腰处最大,内边缘第三主应力最大值位于拱脚处,而外边缘第三主应力量值由拱顶到仰拱逐渐降低;(3)围岩最大拉、压应力随着孔隙率和下边界水头的增大而增大,随着渗透率和随机裂隙孔径的增大而减小;(4)拱顶截线A的主应力量值及变化范围随孔隙率的增大而增大,随渗透率、随机裂隙孔径和下边界水头的增大而减小;(5)本研究结果可为寒区隧道冻胀力的量值大小和分布规律研究提供借鉴参考。     

“两隧夹一桥”段落高铁落石脉冲式碰撞防护方案研究

我国建成高铁主要分布在平原区,"十三五"规划中部分高铁位于山区,山区危岩落石多,需加强落石防护。受山区陡峭地形限制,以往的隧道明洞接长防落石方案已经不能满足使用要求,目前没有特别适合的防护方案,陡峭山区的落石防护成了制约我国高铁发展的瓶颈。针对陡峭地形特征建立工程模型,对落石轨迹模拟分析,落石最大速度和动能计算研究,提出适宜防护方案和缓冲层方案,研究结论:(1)落石能量宜分级化,对设防目标分级处理,才能使防护结构进一步精确化;(2)基于落石的脉冲力特性,柔性结构承受脉冲力荷载有天然优势,且柔性结构质量轻,引起下部增加的工程数量小,落石防护方案宜向柔性结构方向靠近;(3)落石防护应与主、被动防护网结合,主要是对漏过主、被动防护网后的"漏网之石"进行二次防护为主,对防护任务分层处理,明确各处防护结构的防护目标。     

橡胶缓冲垫层保护下棚洞结构落石冲击力学响应研究

采用以橡胶为原料的废弃轮胎作为垫层材料,利用有限元软件建立落石冲击棚洞结构模型,研究落石冲击速度、橡胶缓冲垫层厚度对棚洞结构最大等效应力、结构动能、节点位移等的影响。结果表明:在竖向落石冲击作用下,棚洞结构中间跨的横梁端部为受力不利位置;落石的冲击速度越高、橡胶缓冲垫层越厚,橡胶垫层的缓冲作用越显著;在冲击荷载作用下,棚洞结构横梁下部会承受较大的拉应力,应加强横梁底部的钢筋布置。     

铁路隧道进出口段落石冲击力计算分析

研究目的:崩塌落石是高陡的岩质边坡中,一种常见地质灾害,如不加以治理,可能造成交通中断以及巨大的人员伤亡和经济损失。在山区修建铁路工程时,尤其是隧道进出口段,为了防止崩塌落石对轨道结构的影响,常采用明洞、棚洞等处理措施,落石冲击力是进行明洞、棚洞及拦石墙等被动防治结构设计的主要荷载之一。目前,落石冲击力主要是通过一些半经验半理论的公式计算得到,这些方法的适用性、合理性有待通过充分研究讨论。研究结论:本文对几种已有的落石冲击力计算方法进行了探讨分析,结合襄渝铁路隧道口增设棚洞工程,采用路基工程手册法、隧道手册法、Labiouse法、Kawahara法、杨其新法等方法进行了落石冲击力计算,结果表明这5种计算方法的计算结果在量值上相差不大,路基工程手册法、隧道手册法计算结果稍大。考虑到两手册中的经验方法经过了大量的工程验证,因此推荐以两手册方法的计算结果作为增设棚洞工程设计时的设计荷载,并据此开展工程设计。     

高阻尼橡胶支座剪切性能压力相关性试验研究

研究目的:在实际地震中由于水平倾覆力矩和竖向地震作用的影响,基础隔震结构中橡胶支座承受的竖向压力将会产生较大变化,而橡胶支座竖向压力的变化将会对支座的剪切性能产生一定影响,因而有必要对支座剪切性能的压力相关性进行研究。本文采用低周反复循环加载试验方法对高阻尼橡胶支座进行压剪试验,研究压应力和剪应变对支座剪切性能的影响,从而建立高阻尼橡胶支座剪切性能的压力相关性经验公式。研究结论:(1)随着压应力和剪应变的增大,支座的滞回曲线越来越饱满,支座的耗能能力增大,并出现了明显的刚度硬化现象;(2)支座的屈服力和等效阻尼比随着压应力的增大而增大,随着剪应变的增大,压应力对屈服力的影响逐渐增大,压应力对等效阻尼比的影响有所减小;(3)支座的屈服后刚度随着压应力的增大而减小,随着剪应变的增大,压应力对屈服后刚度的影响逐渐减小;(4)当剪应变较大时,水平等效刚度随着压应力的增大而增大;(5)根据试验结果给出了支座剪切性能的压力相关性经验公式,可供高阻尼橡胶支座基础隔震结构设计人员参考和使用。     

落石冲击下单压式拱形明洞的回填方式

为了解不同回填方式对拱形明洞结构受力的影响,利用动力有限元法,以客专双线单压式拱形明洞为研究对象,分别取混凝土、夯填土石、黏土、堆积土4种填充材料,对拱圈与耳墙间、耳墙外侧、拱顶上部进行4种不同方式的回填,并与不回填组成5种工况,模拟落石冲击下明洞结构的力学响应,对比分析拱顶、拱肩、拱脚、耳墙及仰拱等部位的应力、位移和地基反力;对各工况下的不同部位的应力、位移及基底反力进行打分,将每一工况对应的各项得分相加得到总分,根据总分对各工况进行综合评价。结果表明:在拱圈与耳墙之间采用混凝土填充,对落石冲击的缓冲和自重下结构的受力,都要优于采用夯填土石或黏土,但应注意保证耳墙基底地基承载力;当耳墙外侧有堆积土回填时,结构受力明显改善,但耳墙基底反力有所增大;相对于采用较坚硬的夯填土石或混凝土,拱顶上部采用较松软的黏土作为缓冲材料,更有利于结构拱顶部位的受力,但不利于耳墙侧拱脚和仰拱受力。     

Z形刚架半棚式明洞方案比选和设计分析

为了选择落石威胁下的严重偏压地形地段的合理工程方案,满足工程美学和环保要求,通过各种方案比选,提出一种新型结构形式—Z形刚架半棚式明洞。针对落石冲击荷载进行计算分析,分析结果表明:在各种冲击角度下,冲击荷载小于1800 k N时,各部位第一主应力均小于混凝土抗拉极限强度;Z形刚架半棚式明洞具有较强的抗落石冲击能力,具有较好的安全性。Z形刚架半棚式明洞具有开挖小,能承受落石荷载较大,受力特性较好,结构美观,对沿途景观和植被破坏小,施工较为方便等优点,具有较好的应用前景,可给隧道设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

超高填方明洞采用双层衬砌型式的可行性研究

高填方明洞衬砌厚度常超过2 m,工后受水化放热影响易产生收缩裂缝并影响结构安全,故提出采用双层衬砌设计形式来降低水化热影响。以重庆丰都高填方明洞为研究背景,采用数值模拟方法研究了双层衬砌明洞的水化热及安全性,并探讨外衬与内衬厚度比例对结构的影响,结果表明:(1)双层衬砌结构可明显减少水化热释放,在各种层厚比下,衬砌工后内部温度最高降幅达到38%,温度应力极值的降幅可达53%;(2)相比整体式衬砌,双层衬砌设计基本不影响结构安全性;(3)双层衬砌的层厚比对结构的安全性影响极小,最大影响程度仅有2%;(4)推荐采用1∶1的外衬内衬厚度比,可在不影响安全性的前提下最大程度降低水化热影响。     

兰新高铁百里风区防风明洞设计

研究目的:兰新高铁穿过著名的百里风区,为减小大风对高速铁路运营的影响,在百里风区的核心区设置封闭的防风明洞。本文结合百里风区的大风特征和环境特点,确定该防风明洞结构形式,并对戈壁大风区防风明洞的施工工艺、接缝连接形式及通风、采光、泄压孔等进行研究。研究结论:(1)确定了防风明洞结构形式为"桩基+纵梁+拱形混凝土结构";(2)防风明洞拱形混凝土结构采用工厂化预制+现场拼装的施工方式;(3)预制构件之间采用"型钢-后浇混凝土"的刚性连接技术;(4)为实现防风明洞自然采光、自然通风以及缓解空气动力学效应,提出在防风明洞结构背风侧设置通风、采光、泄压孔;(5)本研究成果可用于公路、铁路穿越大风区等环境敏感地段的隔离防护工程,也可为类似工程的修建提供参考依据。     

考虑相变和围岩含水裂隙的隧道冻胀力研究

研究目的:为掌握寒区隧道冻胀力特征,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过室内试验、温度测试和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立仅考虑围岩冻胀的计算模型,研究相变潜热和围岩含水裂隙对衬砌结构和围岩内力的影响。研究结论:(1)考虑相变潜热能减少衬砌结构内力,相变潜热对衬砌结构冻胀内力的影响随着计算时间的增加愈加明显;(2)含水裂隙使初期支护的最大拉、压应力增大,而使二次衬砌的最大拉、压应力减小,且对初期支护的最大拉、压应力影响明显大于二次衬砌结构,相对于无围岩裂隙,含水裂隙的存在推迟了衬砌结构应力出现的计算时间并使围岩各截线位置的第一主应力变化规律由W型转变为V型;(3)相变潜热和含水裂隙对衬砌结构的最大拉、压应力位置,衬砌结构和围岩的主应力分布规律及量值大小均有一定影响,实际工程中应注意减小围岩裂隙对结构的影响;(4)本研究结论可为类似高寒地区相变潜热和围岩含水裂隙对隧道冻胀力的影响大小提供借鉴或参考。