浅埋圆形复合式衬砌隧道动应力响应研究

为了分析浅埋复合式衬砌隧道动力响应特性,基于Fourier-Besselh级数展开法,给出了半无限空间内平面SV波入射下浅埋圆形复合式衬砌隧道动应力集中系数级数解析解,分析了SV波入射角和入射频率参数对衬砌动应力集中系数的影响,研究表明:在SV波入射下,双层衬砌隧道二次衬砌的动应力集中系数幅值大于初衬值;在隧道外部敷设减震层后,由于减震层剪切刚度较低,隧道动应力特性发生明显改变,当低频入射频率参数为0.25,入射波垂直入射时,设减震层可以降低衬砌动应力集中系数20%;SV波入射角度和入射频率参数对衬砌动应力集中系数有显著影响,随着入射角和入射频率参数增大,衬砌动应力系数幅值和分布越来越复杂.      

半空间弹性介质内圆柱形壳体对平面SV波的散射

浅埋的管道或衬砌等结构物的地震响应问题,都可视为半空间内圆柱形壳体对地震波的散射问题.将半空间表面假定为大半径的圆弧,运用波函数展开法,将入射SV波、半空间表面的反射波、圆柱形壳体外侧和半空间的散射波以及壳体内的折射波的势函数展开成Fourier-Bessel函数的无穷级数形式,假定壳体与周围弹性介质之间应力和位移连续,半空间表面和壳体内侧完全自由,得到了散射问题中各势函数的待定复系数的理论解.花岗岩中浅埋混凝土衬砌为算例,分析了入射频率、衬砌厚度对衬砌内侧动应力集中因子的影响,并对有无衬砌时围岩的动应力集中因子进行了对比.     

公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性影响

针对Ⅲ级和Ⅳ级围岩两种不同的支护形式,建立衬砌厚度不足计算模型.在有无病害条件下,比较隧道衬砌各位置的内力和安全系数,并根据衬砌厚度不足病害程度和宽度,采用数值计算的方法,分析公路隧道衬砌厚度不足对衬砌安全性的影响.分析结果表明:隧道衬砌边墙、拱腰和拱顶的弯矩、剪力和轴力都比较大,属于病害发生的敏感部位;隧道衬砌出现厚度不足病害时,安全系数显著减小;衬砌安全系数随着病害程度的加剧,左边墙呈线性减小,而拱腰和拱顶呈曲线形减小;衬砌安全系数随着病害宽度的增加,先是显著减小,最后又有小幅增长,但整体呈减小趋势;随着病害区域从边墙向拱顶转移,衬砌受影响的范围逐渐增大.     

平面P波作用下液化场地中隧道结构的波动分析

将液化土体视为黏性流体,从黏性流体的运动方程和连续性方程推导出液化土体的波动方程,并证明波动方程的损耗与动力黏度有关。结合复变函数法求解了隧道结构周围半无限空间中波动位移场和应力场,根据隧道结构外侧与周围液化土体之间应力和位移连续的边界条件,可得波动问题中各势函数的待定复系数,分析了隧道结构在平面P波作用下所产生的径向和环向动应力集中程度。结果表明:P波入射时隧道结构的应力集中分布随入射角度不同而呈现出明显差异。动力黏度对隧道结构的动应力集中有明显的影响,隧道结构的应力分布随动力黏度的变化而改变,动力黏度越小,应力集中程度越高。     

基于增量动力分析法的公路隧道地震易损性分析

为合理评估隧道结构在地震作用下的抗震性能，首先阐述了隧道结构地震易损性基本理论和增量动力分析法的计算方法，运用有限元软件建立了某公路隧道的数值计算模型，采用损伤指数确定了隧道结构的损伤指标，通过输入相应地震波，并利用增量动力分析法对隧道结构进行了动力时程分析，以此得到了隧道结构在不同衬砌厚度下的地震易损性曲线。研究结果表明：当衬砌厚度一定时，随着地面峰值加速度PGA的增加，隧道结构的失效概率不断增加，整体呈现先快后缓的增加趋势；在衬砌厚度与PGA相同的情况下，隧道结构的失效概率随损伤程度的减小而增大；在相同损伤状态下，衬砌厚度越大，隧道结构的失效概率越小；利用增量动力分析法得到隧道结构的地震易损性曲线，可以充分考虑地震作用的随机性和不确定性，并能全面反映隧道结构在不同损伤状态下的损伤概率，是一种十分有效的评估隧道抗震性能的方法。     

考虑隧道围岩蠕变的复合式衬砌受力规律

将锚杆作用力视为体力作用于围岩内, 将初期支护与锚杆锚固范围内的围岩视为围岩加固体, 建立了围岩力学模型, 基于统一强度理论分析了隧道蠕变条件下的围岩应力与变形规律, 推导了复合衬砌应力与变形表达式, 分析了隧道围岩蠕变过程中支护结构受力特点及不同初期支护强度下二次衬砌受力变化规律。分析结果表明: 当初期支护按照“初期支护应与围岩共同受力且能保证施工阶段安全”的原则进行设计时, 在围岩蠕变作用下, 锚杆与喷射混凝土最大受力分别为48、286kPa, 与开挖阶段相比分别增大了57.5%、13.7%, 且超过支护结构最大承载力, 说明在进行初期支护设计时, 仅满足隧道开挖过程中围岩稳定而不考虑蠕变产生的附加应力影响, 可能造成隧道运营过程中初期支护结构破坏, 不利于隧道稳定; 当二次衬砌厚度由300mm增大至500mm时, 二次衬砌最大受力增大了40.5%, 荷载分担比由25.2%增大至36.2%, 而增大初期支护强度后, 二次衬砌受力减小了14.5%, 荷载分担比由25.2%减小至22.3%, 说明二次衬砌荷载随初期支护强度增大而减小, 而随自身强度增大而增大, 应重视初期支护与二次衬砌支护强度的协调配置, 实现围岩压力的合理分配; 在软岩地质条件下, 应保证隧道施工过程中围岩稳定并避免围岩蠕变过程中发生结构破坏, 以实现初期支护与二次衬砌共同承担蠕变引起的附加应力。      

列车撞击荷载的有限元数值分析

为获得列车脱轨撞击荷载,分析列车撞击时盾构隧道的动力响应,建立了列车编组的三维撞击有限元模型,探讨了不同列车编组、不同撞击速度和撞击角度下列车近似撞击力时程曲线,分析了列车撞击力最大值和撞击时间与列车撞击速度和角度的关系,并将典型撞击荷载用于分析不同厚度二次衬砌管片衬砌的动力响应.结果表明:列车编组数量一定时,列车斜向撞击力最大值随撞击速度和撞击角度增大而增大;当撞击角度增大到7.5后,撞击力作用时间随撞击速度增大而延长;根据列车撞击力最大值出现时刻不同,可将撞击力时程曲线划分为2类特征曲线,其中第1类特征曲线(撞击瞬间撞击力达到最大)总体上符合高斯多峰拟合公式,可用10个参数近似拟合.二次衬砌厚度增大能有效减小管片衬砌应力、速度、加速度等动力响应以及拉、压损伤区域.      

火灾工况下两车道公路隧道承载力计算方法

常规下衬砌结构承载力的计算主要采用荷载结构法与地层结构法。但在火灾工况下,衬砌截面上每一点的温度分布不均,随厚度增大而降低,同时,材料的物理力学参数以及衬砌厚度也随着温度的变化而变化,而在常规计算方法中,计算参数的定义很难反映火灾工况下材料物理力学参数的实际变化。因此,本文提出一种能够反映火灾下材料物理力学参数实际变化的计算方法,同时将衬砌单元由常用的梁单元换成平面应变单元,然后根据实际情况对模型分层赋予属性并进行结构承载力计算,为以后火灾工况下公路隧道承载力计算提供借鉴。     

隧道涌水量的预测方法及影响因素研究

隧道涌水量关系到作用于衬砌结构的水压力和周边生态环境的安全,是隧道防排水设计的重要参考指标.在总结隧道涌水量预测的3种主要方法：理论解析法、经验公式法和数值分析法的基础上,讨论了围岩渗透系数、洞室尺寸、地下水位高度、衬砌渗透性、注浆圈渗透性及厚度、隧道含水层厚度,以及洞室形状等因素对隧道涌水量的影响,比较分析了各种隧道涌水量预测方法的差异,并重点指出了各种理论解析方法的局限性和适用条件.研究结果表明,隧道涌水量随围岩渗透系数的增大线性增大,随地下水位高度的升高存在一个先减小后增大的过程;注浆圈参数存在一个经济合理值;同样的开挖面积条件下圆形隧道的涌水量最小.     

寒区运营隧道洞口段冻害分析及对策

为解决寒区公路运营隧道的冻害问题,分析冻害形成机理,依据冻融周期内隧道现场拱顶、边墙和路面3个测孔位置不同孔深处的监测温度数据,分析隧道洞口段冻害类型.结果表明:在冻融期,隧道洞口段边墙从隧道二次衬砌表面沿径向延伸至围岩深部的温度逐渐升高,拱顶位置从衬砌表面向深部延伸处温度先升高后降低,路面从隧道路面边缘表面沿径向延伸...     

频率选择表面的反射和传输系数的修正

现有的频率选择表面反射和传输系数对于垂直入射时的反射和传输计算不适用,需加以修正.把入射场分解成与入射平面垂直和平行的极化分量,用散射场的切向分量表示平行和垂直极化波入射时对应的反射和传输系数.该反射系数结构简洁,且适合所有角度的入射波.数值计算结果表明,修正的反射和传输系数与用仿真软件HFSS得到的结果吻合较好.     

基于强度应力比的挤压性围岩隧道承载拱变化规律研究

围岩承载拱理论可很好地解释隧道施工过程中围岩是承载主体,特别是挤压性围岩隧道支护抗力远小于初始地应力,围岩承载主体地位更为突出。围岩强度应力比是挤压性围岩隧道变形分级的主要判别指标。从围岩承载拱理论出发,推导了基于强度应力比的挤压性围岩隧道承载拱理论解,建立了围岩承载拱范围与挤压性围岩隧道变形分级的定量关系。研究结果表明:挤压性围岩隧道围岩承载拱厚度随围岩强度应力比减小而增大,随隧道洞径增大而增大,随围岩强度减小而增大,随初始地应力的增大而增大,随支护抗力的减小而增大;通过地层注浆加固改善围岩强度及通过增大支护刚度而提高支护抗力,均可有效降低承载拱厚度,从而提高围岩稳定性。研究成果可为挤压性围岩隧道设计施工提供理论支撑。     

冻胀力作用下土质隧道衬砌内力影响因素敏感度分析

运用有限元数值模拟,计算分析了隧道衬砌内力(弯矩、轴力、最大拉应力)对土体冻胀率、冻结圈厚度、衬砌厚度、围岩弹模的敏感度。研究表明:隧道衬砌弯矩、轴力及拉应力对围岩自由冻胀率均敏感;隧道衬砌轴力、拉应力对围岩弹模敏感,而隧道衬砌弯矩对围岩弹模的敏感度较小;隧道衬砌内力受冻结圈深度影响较为明显,而衬砌厚度对衬砌内力影响相对最弱。建议对于季节性冻土区隧道设置保温隔热层及在衬砌背后一定范围内的注浆。     

岩溶隧道开挖围岩力学及渗流三维数值模拟

依托贵州省在建的新寨隧道,用 ABAQUS 有限元软件建立计算模型,模拟隧道施工过程中围岩及衬砌结构的变形和受力特征。考虑地下水的作用,计算了围岩的孔隙水压力和分布规律。分析结果表明：隧道开挖过程中,围岩存在一定程度的应力释放,隧道拱顶和仰拱底部局部会出现较小的拉应力,而在隧道边墙部分则出现应力集中的现象。隧道开挖应力影响范围约为2倍洞径,在1倍洞径范围内影响较大,不宜在不作处理的情况下修筑其他地下空间结构。隧道围岩塑性区沿隧道径向影响范围约为4 m。     

隧道衬砌结构裂损机理及定量评估

隧道衬砌裂损影响衬砌结构的整体稳定性,并易引起渗漏水病害、基床病害和复合型病害等隧道病害,降低衬砌结构的耐久性和安全性.基于衬砌裂损的力学机理分析,将隧道衬砌混凝土裂缝发展过程分为6个阶段,给出每个阶段的状态描述,并针对引起衬砌裂损的隧道衬砌厚度不足及衬砌背后空洞两个影响因素进行深入研究,分别利用隧道衬砌的拉、剪应力集中系数进行计算,明确不同围岩条件下隧道衬砌厚度不足或衬砌背后空洞等因素与衬砌内部应力集中程度之间的内在联系,为进一步建立依据隧道衬砌检测结果进行隧道衬砌状态评估的评估体系提供了量化基础.     

不同滑带角度滑坡作用下隧道衬砌结构受力特征

随着越来越多的隧道工程穿越滑坡区，滑坡与隧道相互作用过程的研究尤为重要. 为研究不同滑带角度滑坡对隧道衬砌结构受力的影响，以大（同）准（格尔）铁路南坪隧道为例，采用室内模型试验、数值模拟的方法，对0°、10°、20°、30°、40°、50°不同滑带角度条件下滑坡推力作用下隧道衬砌结构受力的影响特征及变化规律进行研究. 研究结果表明:滑带角度越小，隧道变形越大，作用在隧道衬砌结构上的弯矩、剪力及土压力越大，并在拱脚处出现最大值，形成隧道拱结构左右受力不对称特征，呈现偏压现象；通过计算隧道拱结构左右两侧的竖向偏压应力比显示，在拱肩位置且滑带为0时，偏压应力比为1.17，随着滑带角度的增大，隧道衬砌拱结构左右应力差越来越小，趋于平衡拱；在拱脚位置，偏压应力比随滑带角度的增大而逐渐增大，隧道衬砌拱结构左右两侧所受应力差越来越大，趋向于偏压隧道，最小偏压比和最大偏压比分别为1.08、1.87.      

一种用于浅埋隧道抗震分析的拟静力数值方法

提出一种用于浅埋隧道抗震分析的拟静力数值方法,该方法用等效静载反映地震波对围岩与衬砌结构的作用,考虑地震波特点,分别计算体波（Ｐ和Ｓ波）和面波（Ｒ波）的影响,并将计算得出的衬砌反应与静载作用下的隧道衬砌的已有应力迭加视作隧道在地震时最大应力,地震波作用及静载作用的结构位移及应力均采用有限元或其它数值方法计算,提出的方法已在南昆铁路隧道抗震研究中的运用。     

磁性液体密封结构中漏磁的研究

为了研究磁性液体密封结构几何参数的变化对漏磁场的影响规律,选取不同的密封间隙、极齿宽度、齿槽宽度、齿槽深度及密封级数建立物理模型,用有限元方法计算各模型的漏磁场.结果表明在密封结构的轴向和径向距离上存在某一临界值,在临界值的两侧,漏磁场磁感应强度随密封结构几种几何参数的变化趋势不同：在轴向距离大于临界值时,轴向漏磁场磁感应强度随间隙的增大而增大,随级数的增加而减小,随齿宽的增大而减小,随槽宽和槽深的增大而增大;在径向距离小于临界值时,径向漏磁场磁感应强度随间隙的增大而减小,随级数的增加而增大,随齿宽的增大而增大,随槽宽的增大而增大,随槽深的增大而减小;径向距离大于临界值时的情况与小于临界值时的情况刚好相反.     

衬砌背后空洞对隧道结构安全影响的模型试验研究

隧道衬砌背后空洞现象是隧道建设与运营中主要病害之一,这会改变隧道衬砌与围岩的相互作用关系,引起隧道结构应力集中而破坏。采用物理模型试验方法,模拟了隧道衬砌背后无空洞、单空洞、多空洞等3种工况。通过对比分析这3种工况在上覆荷载的作用下围岩压力、衬砌轴力及弯矩变化规律,获得了以下主要结论:①隧道无空洞时,衬砌与围岩接触良好,围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载的增加而增大;②隧道衬砌背后存在空洞时,空洞范围内围岩压力无法传递到衬砌结构上,导致围岩压力、衬砌轴力及弯矩均随上覆荷载增加而减小,但衬砌结构因偏心距增大容易发生开裂破坏;③衬砌背后空洞对衬砌拱顶安全系数的影响最大,空洞数量越多安全系数降低越明显,但未改变安全系数在隧道横断面内的分布规律。     

考虑水压力作用下隧道衬砌厚度的探讨

在软岩富水段中,隧道衬砌所承受的力应为围岩压力与水压力之和。以永吉高速公路六月田隧道为工程实例,通过公式计算出围岩压力与水压力,采用荷载结构法对二次衬砌进行了计算,不考虑水压力情况下,45 cm厚的二次衬砌最大应力值为10.8 MPa,能满足规范要求,而考虑水压力的情况下,衬砌应力最大值为13.1 MPa,不能满足规范要求;在考虑水压力情况下,当二次衬砌厚度增大到55 cm时,二次衬砌最大应力值为10.6 MPa,能满足规范要求。对类似的工程有一定的借鉴意义。