盾构始发与接收时顶力的数值模拟研究——以北京地铁15号线某盾构直接切削玻璃纤维筋桩工程为例

盾构顶力是盾构始发和接收过程中的主要控制参数。以北京地铁15号线某6 m盾构直接切削玻璃纤维筋桩工程为背景,采用有限差分软件FLAC3D研究分析了盾构始发与接收时不同刀盘正面顶力作用下围护桩体受力以及地表变形规律。研究结果表明： 盾构始发中在切割玻璃纤维筋桩体时,若顶力大于10 000 kN,会引起地表隆起; 盾构接收中在切割玻璃纤维筋桩体围护结构时,由于桩的一侧为临空面,当盾构顶力大于8 000 kN时,会引起桩体发生向临空侧的倒塌破坏,存在一定的安全隐患。该研究对洞口处玻璃纤维筋桩体的设计和盾构安全施工具有较大的指导意义。     

铝合金/GFRP筋近表面嵌入式增强钢筋混凝土梁抗弯性能试验

为研究铝合金/玻璃纤维增强复合材料（GFRP）筋近表面嵌入式加固混凝土梁的抗弯性能,以加固方式、加固筋类型和加固量为变量,设计了5根钢筋混凝土梁试件进行单调静载试验,重点分析了混凝土加固梁的破坏模式和破坏特征。研究结果表明：采用铝合金筋或GFRP筋嵌入式加固后混凝土梁的受弯承载力均显著提高;加固量相同时,GFRP筋加固梁、铝合金/GFRP筋混合加固梁和铝合金筋加固梁的极限荷载比未加固梁分别提高了105.8%、45.7%和17.5%,但混凝土梁采用GFRP筋加固后延性降低、脆性突出,而采用铝合金/GFRP筋混合加固或铝合金加固后混凝土梁的延性则与对比梁相当;GFRP筋嵌入式加固梁和铝合金筋嵌入式加固梁分别发生了混凝土保护层剥落破坏和加固筋屈服后混凝土压溃破坏,而铝合金/GFRP筋混合加固梁则先是GFRP筋与混凝土保护层发生剥离,之后随着作用跨中位移的持续增大,受压区混凝土发生压溃,破坏过程有两重防线。在试验研究基础上,采用截面分析法给出了嵌入式加固梁抗弯强度的理论计算模型与工程实用模型,计算结果表明：加固梁极限弯矩的试验值与理论预测值之比及与实用模型计算值之比的平均值分别为1.081和1.063,方差分别为0.003和0.005,吻合较好。     

玻璃纤维筋在地铁围护桩设计中的研究及应用

为解决当前地铁建设中玻璃纤维筋在盾构端头围护桩中大量应用而相应圆形截面玻璃纤维筋混凝土构件设计计算等研究不足这一矛盾,通过公式推导得到基于混凝土受压破坏的圆形玻璃纤维筋混凝土受弯构件的正截面承载力计算公式,并与现有行业标准《盾构可切削混凝土配筋技术规程》中关于圆形玻璃纤维筋混凝土受弯构件正截面承载力计算公式进行对比,从配筋及安全储备等角度进行分析。结果表明:相比《盾构可切削混凝土配筋技术规程》中关于玻璃纤维筋圆形混凝土构件正截面承载力的计算公式,本文所推导基于混凝土受压的玻璃纤维筋混凝土圆形截面构件计算公式在直径不大于1 m、设计承载弯矩小于1 000k N·m时,配筋量设计更为优化,有利于控制造价,进一步研究发现当直径大于1 m时,本文所推导公式在减少配筋、控制造价上更有优势。     

GFRP筋混凝土柱抗震性能试验

为了掌握GFRP筋混凝土柱的抗震性能,通过5根全GFRP筋混凝土柱和1根混合配筋混凝土柱的低周反复加载试验,研究了体积配箍率、轴压比对GFRP筋混凝土柱抗震性能的影响,分析了混凝土柱抗震破坏形态和过程、滞回特性、变形与耗能能力、强度退化和刚度退化等特征。分别采用延性系数和综合性能指标2种延性评价方法评价其抗震性能,并进行对比。将抗弯承载力试验值与加拿大CAN/CSA-S806-12、美国ACI 440.1R-15和中国GB 50608—2010规范计算值进行了对比。在已有研究成果基础上,结合试验得出的骨架曲线进行分析,提出了全FRP筋混凝土柱理论骨架曲线的计算方法。研究结果表明:全GFRP筋混凝土柱最终因混凝土压碎和GFRP纵筋断裂而破坏,混合配筋混凝土柱因混凝土压碎和钢筋纵筋屈服而破坏,所有试件均未发生GFRP箍筋破坏且GFRP箍筋能够在试验过程中一直对混凝土提供有效约束;全GFRP筋混凝土柱的滞回曲线捏缩效应更加明显,且耗能能力稍低于混合配筋混凝土柱;采用传统的延性系数方法评价GFRP筋混凝土柱的抗震性能存在一定的局限性,而综合性能指标可全面反映GFRP筋混凝土柱较高的承载力和变形性能,且综合性能指标随体积配箍率增大、轴压比减小而逐渐增大;3种规范的抗弯承载力计算值均小于试验值,美国ACI 440.1R-15规范计算值安全储备最高。所建立的理论骨架曲线与试验骨架曲线总体上较为吻合。     

GFRP筋与混凝土黏结性能试验研究v

为研究玻璃纤维增强复合材料筋(glass fiber reinforced polymer bars, GFRP 筋)与混凝土的黏结性能及破坏模式,进行了9 组 GFRP 筋与混凝土的单向拉拔试验。试验设计中考虑了GFRP 筋锚固长度、GFRP 筋直径及混凝土强度的变化对GFRP 筋锚固性能的影响。试验结果表明: GFRP 筋与混凝土间的黏结强度随筋材锚固长度及混凝土强度的增加而显著提高;对于筋材直径为12 mm 的试件,其峰值荷载由锚固长度30 mm 对应的24. 4 kN 增加至锚固长度120 mm 对应的71. 5 kN;对于相同几何构造特征的试件 (S-4, S-8 及S-9),其峰值荷载由C30 对应的55. 4 kN 增加至C50 对应的71. 5 kN;此外,试件的破坏模式随筋材直径及锚固长度的增加由筋材受拉断裂转变为筋材拔出破坏或混凝土劈裂破坏;试验所得的试件荷载-滑移曲线表现出典型的4 阶段受力破坏特征,分别为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。研究成果可为GFRP 筋在混凝土结构中的应用提供参考。     

GFRP筋与混凝土黏结性能试验研究

为研究玻璃纤维增强复合材料筋(glass fiber reinforced polymer bars, GFRP筋)与混凝土的黏结性能及破坏模式,进行了9组GFRP筋与混凝土的单向拉拔试验。试验设计中考虑了GFRP筋锚固长度、GFRP筋直径及混凝土强度的变化对GFRP筋锚固性能的影响。试验结果表明:GFRP筋与混凝土间的黏结强度随筋材锚固长度及混凝土强度的增加而显著提高;对于筋材直径为12mm的试件,其峰值荷载由锚固长度30 mm对应的24. 4 kN增加至锚固长度120 mm对应的71. 5 kN;对于相同几何构造特征的试件(S-4,S-8及S-9),其峰值荷载由C30对应的55. 4 kN增加至C50对应的71. 5 kN;此外,试件的破坏模式随筋材直径及锚固长度的增加由筋材受拉断裂转变为筋材拔出破坏或混凝土劈裂破坏;试验所得的试件荷载-滑移曲线表现出典型的4阶段受力破坏特征,分别为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。研究成果可为GFRP筋在混凝土结构中的应用提供参考。     

接收端主体结构板施作时机对盾构接收施工影响分析

为探究车站接收端主体结构不同施作时机条件下盾构接收对地表沉降、围护桩及结构端墙侧墙变形的影响规律，依托西安地铁14号线某区间盾构接收施工工程，采用有限元数值模拟方法对车站盾构接收端主体结构不同施作时机条件下（底板施作完成后、中板施作完成后、顶板施作完成后）盾构接收时的地表沉降及桩体变形进行对比分析;在此基础上进一步研究不同位置钢支撑轴力变化对盾构接收时位移变形的影响，并结合现场数据进行验证。研究结果表明： 1）车站接收端主体结构中板施工完成后盾构接收对周边地表沉降及围护桩变形影响最小，此时地表最大沉降位于端头洞口上方，桩体竖向呈沉降趋势且水平向临空面位移。2）围护结构第1、2道支撑轴力变化对盾构接收后地表沉降及围护桩变形影响较大，且随着支撑轴力的增大，地表沉降及围护桩横向变形明显减小。3）在确保支撑轴力满足安全限值的条件下可以适当增大支撑轴力，以控制盾构接收引起的地表沉降及桩体变形。     

玻璃纤维增强塑料(GFRP)筋混凝土梁抗弯性能的研究

通过GFRP筋混凝土梁和普通钢筋混凝土梁的破坏试验,对GFRP筋混凝土梁跨中荷载挠度等受力变形规律进行了试验研究.讨论了GFRP筋混凝土梁有限元建模计算的方法,参照普通钢筋混凝土梁的有限元模型,采用线弹性本构关系模型,对不同配筋率的GFRP筋混凝土抗弯性能进行了计算研究.结果表明,GFRP筋混凝土梁的跨中荷载挠度曲线在...     

无内衬结构竖井盾构快速接收工艺研究

由于车站不能按时提供盾构接收条件，南宁地铁2号线石子塘站—建设路站区间（石建区间）需增设临时接收竖井。按照常规方法，在竖井内衬结构完成后才能进行盾构接收，由此将造成建设工期长、建设成本高、施工工序多等问题。为解决以上问题，通过采取加大并密排对应盾构进入接收竖井位置的围护桩、以水平环梁代替对撑或外拉锚、在洞门位置用玻璃纤维筋代替钢筋、采用特制的洞门密封装置、灵活设置临时封底、优化接收前盾构掘进参数，并辅以降水、监测等措施，不必施作竖井内衬结构，盾构直接切削桩体进入竖井，安全、快速地实现了盾构接收，为石建区间按时贯通提供了保障。     

GFRP筋纤维增韧高强轻骨料混凝土受弯构件挠度分析

为研究GFRP筋纤维增韧高强轻骨料混凝土梁变形规律,完成10根高强轻骨料混凝土梁受弯性能试验,重点分析了纤维掺量、纵筋种类、GFRP筋配筋率和GFRP筋直径对试件不同受力阶段变形的影响;明确了GFRP筋混凝土受弯构件正常使用阶段应变及应力分布;基于刚度解析法,结合文献中GFRP筋普通混凝土受弯构件挠度实测数据,给出GFRP筋应变不均匀系数计算公式,综合考虑轻骨料、钢纤维及GFRP筋配筋率的影响对其进行修正;基于该公式对各试件使用荷载下的挠度进行计算,并与美国规范（ACI 440.1R-15）、中国规范（GB 50608-2010）和加拿大规范（CSA S806-12,ISIS-M03-07）的计算结果进行对比分析。结果表明：随配筋率的增大,试件破坏模式依次表现为GFRP筋拉断破坏、平衡破坏和混凝土压碎破坏;混凝土压碎破坏试件弯矩-挠度曲线分为开裂前阶段、裂缝开展阶段和受压破坏阶段,而平衡破坏和GFRP筋拉断破坏试件仅具有前2个阶段。轻骨料混凝土掺入钢纤维能够抑制构件开裂后刚度退化,降低混凝土压碎破坏脆性;提高GFRP筋配筋率可减小试件变形,GFRP筋直径对其无显著影响。采用中国规范（GB 50608-2010）计算试件正常使用极限状态下的挠度,结果稍显不安全;美国规范（ACI 440.1R-15）计算结果略偏保守;加拿大规范（ISIS-M03-07）与（CSA S806-12）计算值均具有一定的安全储备;建议公式计算结果较为准确且离散性较低,能够用于该类构件挠度的计算。     

盾构隧道连续性倒塌特征分析

为解决对盾构隧道连续倒塌的力学原理和破坏特征认识不足的问题,通过单个案例分析、事故树分析和事件树分析3种方法对盾构隧道在出现连续性倒塌时的特征进行分析。对国内外5起重大盾构隧道倒塌事故案例进行分析,结果表明:盾构隧道结构破坏过程中具有明显的非比例性和连续性特征,具有连续性倒塌的本质。通过多起典型倒塌事故案例的事故树分析表明:盾构隧道连续性倒塌往往是位于特定地层条件下的衬砌结构发生渗漏水的结果。最后,通过事件树分析法,将盾构隧道连续倒塌的过程分为四级事件,对隧道结构倒塌过程中水土流失与结构相互作用的机制进行讨论。     

盾构直接切除大直径桩基的试验与工程实践

为研究盾构直接切削大直径桩基的可行性、评价滚刀和切刀的切桩性能、获取盾构切桩的关键掘进控制参数，进行盾构直接切削大直径桩基的模型试验。研究结果表明： 1)盾构切除大直径桩基宜采用“低推进速度，高转速”的磨桩方式，刀盘推进速度建议取3~5 mm/min，刀盘转速建议取1.0~1.2 r/min； 2)滚刀对混凝土的切削效果较好，切刀对钢筋的切削效果较好； 3)混凝土强度越高，滚刀对钢筋的切割效应越好； 4)滚刀切桩时，刀盘轴向振动作用明显，在低推进速度和低转速下，其刀盘的振动小于切刀切桩时刀盘的振动; 5)切刀切桩时，刀盘环向振动强烈，在高推进速度下刀盘易卡顿，提高转速可减少刀盘卡顿。     

钢桁-混凝土组合结构梁桥连续破坏-倒塌动态行为研究

近年来交通荷载激增，桥梁构件破坏和整体结构倒塌时有发生，造成重大人员伤亡和经济损失。其中，相对其他形式结构桥梁，钢桁-混凝土组合结构桥梁冗余度较低，重载作用下构件的初始破坏易引发桥梁整体倒塌，故明确钢桁-混凝土组合梁桥连续倒塌机理和模式，对该类桥梁抗连续破坏-倒塌设计具有十分重要的理论和工程意义。因此依托钢桁-混凝土组合连续梁桥实体工程，采用能量法和显式动力学数值分析方法，对其构件重要性、破坏后剩余结构冗余度和倒塌动态行为开展研究。研究结果表明：最不利荷载作用下，钢桁-混凝土组合连续梁桥边跨正弯矩最大区域下弦杆破坏后剩余结构的最低冗余度为1.94，而边跨梁端支点附近腹杆破坏后剩余结构的最低冗余度为1.61。组合梁边跨正弯矩区下弦杆破坏后剩余结构遵循转动铰机制倒塌，破坏路径较长，结构整体倒塌前具有显著变形，最大竖向位移达到60.1 cm；组合梁支点区域腹杆破坏后剩余结构遵循滑移面机制倒塌，破坏路径极短，倒塌前整体结构无明显变形，最大竖向位移仅为9.1 cm，结构破坏呈明显脆性特征。腹杆失效所形成的滑移面倒塌机制对钢桁-混凝土组合结构梁桥极为危险，需重点设计预防。通过对钢桁-混凝土组合连续梁桥破坏路径的研究，探明了该类结构各构件的重要性分布特征和结构连续倒塌机制，为提高同类型桥梁抗破坏-倒塌性能提供理论依据和设计方法。     

京沈高铁望京隧道软弱富水地层超深竖井多台大直径泥水盾构快速接收技术

为了解决4台大直径泥水盾构在以黏土、粉土和粉细砂层等软弱细颗粒为主的富水地层且要在同一个超深竖井中实现"低风险"快速接收的难题,以京沈高铁望京隧道工程为依托,采用U形素地下连续墙+超深三轴搅拌桩+RJP超高压旋喷加固地层,并辅以降水井等多种地层加固措施,提高接收井端头加固区的整体稳定性和止水效果,为盾构快速接收创造条件。采用陀螺仪定向+投点孔进行贯通测量,确保盾构接收精度,为接收基座的快速精确定位安装提供依据。采用水钻+绳锯切割方式破除洞门混凝土,极大地提高了洞门破除速度。洞门钢环安装双道钢丝刷作为接收洞门密封,防止盾构出洞时发生涌水涌砂现象,确保盾构接收安全,减少最后1环管片的安装和拆除,快速封堵洞门,进一步加快盾构接收速度。通过采取以上关键技术,并对4台盾构的接收和拆机顺序进行科学的组织协调,保证了望京隧道4台大直径盾构安全快速的接收。     

盾构穿切过程中单桩复合地基动态响应的研究

为探究盾构直接穿切复合地基对复合地基承载性状的影响规律,依托郑州地铁5号线某区间盾构穿切水泥土群桩复合地基工程,对盾构穿切单桩复合地基进行现场试验研究。分析盾构切桩全过程中地表沉降、桩顶压应力和桩间土应力的变化规律。同时,在与现场试验分析结果进行对比验证的基础上,利用数值模拟进一步对桩身轴力和桩侧摩阻力进行补充分析。主要结论如下： 1）在盾构穿切单桩复合地基全过程中,加载板沉降发展规律大体分为盾构切桩前、刀盘切桩、盾体穿越残桩、盾体脱离残桩、同步注浆层填充与凝结、残桩脱离盾尾6个阶段。2）桩土应力比随着切桩施工过程先减小后增大;桩身轴力随着整个切桩过程发生变化,最终阶段轴力值相比切桩前有所增大。3）由于残桩桩长变短,桩身应力重分配比使得桩身出现2个中性点,中性点以上为正摩阻力,桩体受压;中性点以下为负摩阻力,桩体受拉。4）与最终的累计量相比,各阶段加载板沉降增幅比分别为20%（盾构切桩前）、60%（盾构切桩—注浆层凝结）、20%（盾构远离残桩复合地基）;桩土应力比增幅分别为-8%、-16%、-53%、3%、25%、66%。     

螺旋肋GFRP筋与UHPC黏结强度试验及计算方法

为研究螺旋肋GFRP筋与UHPC黏结强度，以钢纤维掺量、保护层厚度、锚固长度及GFRP筋直径为试验参数，对60个螺旋肋GFRP筋与UHPC试件展开拉拔试验，获得了各参数对GFRP筋与UHPC黏结强度的影响规律。结果表明：GFRP筋UHPC试件的拔出破坏主要呈现直接拔出和劈裂拔出2种模式，直接拔出破坏主要出现于钢纤维掺量≥2%且保护层厚度较大的试件中；在不同参数情况下，直径18 mm及22 mm GFRP筋与UHPC黏结强度为19.6～53.7 MPa,同时黏结强度整体上随钢纤维掺量及保护层厚度的增加而增大，随锚固长度的增加而减小；当UHPC钢纤维掺量从0%增加至2%时，GFRP筋与UHPC黏结强度提高幅度达71.4%～74.1%,但钢纤维掺量由2%增加至3%时，出现黏结强度增长减缓甚至不增长现象；保护层厚度对黏结强度的增强作用存在“上限效应”,即当其小于临界保护层厚度时，黏结强度随保护层厚度增加而增长，但当其大于该临界值，增强作用显著减弱；直径18 mm、锚固长度1倍直径的GFRP筋在UHPC中的临界保护层厚度约为3倍直径。基于弹塑性力学中的厚壁圆筒理论，建立了GFRP筋与UHPC黏结...     

环切法破桩头在桩基础工程中的应用

传统的方法是凿除主筋、敲碎桩心混凝土,此方法耗时且对桩头的破坏大,标高不好控制;如采用包裹法+双刀环切法,施工方便且桩头不易损坏,标高宜控制;本工艺主要是将事先加工好的脱松套直接套入钢筋笼外露承台、系梁外端的主筋和声测管表面,使桩头混凝土和主筋不发生握裹,再用双刀环切法,两次环切桩基,桩头切除位置采用风镐垂直桩身方向钻孔,将分离楔子插入钻孔中,并采用外力进行敲击,直至桩头与桩身完全分离,然后利用起吊设备吊出上部桩头。本工艺缩短了作业工序与时间,减少了人工费和排水费,减少施工灰尘,确保主筋少受损伤,桩基完整性及操作工人的健康和环保施工。     

高承载力盾构管片接头预埋件抗拉性能试验

为了选择适用于软土地区深埋排水盾构隧道管片接头结构形式,针对新型高承载力盾构隧道管片接头预埋件结构,开展了1∶1结构抗拉性能试验,研究管片接头预埋件在不同荷载工况下,锚筋的应力分布和传递、接头板的变形和位移、螺栓的应力分布、管片混凝土裂缝的分布扩展情况和结构最终破坏模式等力学特征。研究结果表明:锚筋应力随着与预埋件连接处距离的增加逐步减小,且传递曲线均呈现出先陡后缓的趋势;接头预埋件锚板和锚筋的存在,使得接头的整体刚度得到了增强,同时提高了结构的承载能力;结构最终破坏模式是接头预埋件与锚筋的连接位置发生断裂破坏,且结构破坏时预埋件整体有较大的翘曲变形,因此可以考虑提高预埋件与锚筋的连接性能并相应增加预埋件的刚度以进一步改善结构的整体性能。     

无腹筋GFRP筋混凝土梁抗剪性能试验

对一组无腹筋玻璃纤维增强塑料(Fiber Glass-reinforced Plastics,GFRP)筋混凝土梁的抗剪性能进行了试验研究,所有试验梁均为三分点加载,将6根试验梁按有效配筋率分为3组,每组包括1根钢筋混凝土梁和1根GFRP筋混凝土梁,且所有试验梁均为斜拉破坏;分析了试验梁的荷载-挠度关系、裂缝开展及抗剪承载力,并将各FRP筋设计规范或指南的抗剪承载力预测值与试验结果进行对比。结果表明:有效配筋率相同的钢筋混凝土梁和GFRP筋混凝土梁具有相近的抗剪承载力;修正的CAN/CSA-S6-06抗剪承载力预测结果与试验结果符合度最高,而ACI 440.1R-06的预测结果过于保守;建议的FRP筋混凝土梁抗剪承载力公式提高了承载力预测精度。     

有黏结预应力CFRP筋混凝土梁试验及非线性分析

通过6根梁试件的单调加载静力试验,对有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的受力过程、破坏形态、抗弯承载力、位移延性以及变形特性等进行了较系统的研究,并利用ANSYS软件对试验梁进行了非线性有限元分析。研究结果表明:有黏结预应力CFRP筋混凝土梁受力性能良好,具有较大的位移延性和变形能力;按配筋率的不同,梁试件的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏2种;随着配筋率的增大和张拉控制应力的提高,有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;和非预应力配筋为钢筋的梁试件相比,非预应力配筋为玻璃纤维塑料(GFRP)筋的梁试件的位移延性和变形能力稍低;典型试件的有限元计算值和试验值吻合良好。