冻结粉细砂与钢板接触面剪切统计损伤模型构建

冻土与结构接触面的损伤分析是解决冻土与结构相互作用问题的关键.以自研大型多功能冻土直剪仪为试验平台,开展不同冻结温度、法向应力、粗糙度条件下人工冻结粉细砂与钢板接触面大型直剪试验,分析不同工况条件下接触面剪应力-剪切位移关系及其变化规律.从岩土材料内部所含缺陷分布的随机性出发,将连续损伤理论和统计强度理论有机结合,构建冻结粉细砂与钢板接触面剪切统计损伤模型,确定模型参数通解.该模型能较好模拟冻土与结构接触面剪切变形中线弹性、应变硬化、应变软化及残余强度等典型特征,能有效考虑冻结温度、法向应力和粗糙度对接触面剪切强度的影响,可为冻土与结构接触面冻结强度预估和数值模拟研究提供基础模型.     

冻结黏土-混凝土界面动力剪切特性研究

冻土与混凝土接触界面动力剪切特性对于冻土工程的抗震稳定性和长期服役性有直接影响。为了研究动荷载作用下多年冻土地区桩土相互作用及桩侧冻结强度特性,在常规直剪仪的基础上,研制出可同时满足动荷载输出和低温控制条件的动力直剪系统。利用该设备开展不同影响因素条件下的冻结黏土-混凝土桩基界面动力剪切试验,研究了动荷载作用下,试验温度、法向压力、动荷载频率及振次对冻土与混凝土界面冻结强度的影响,同时探讨了界面剪切破坏后的残余强度的变化规律。试验结果表明：动荷载作用下,冻结黏土-混凝土界面力学行为具有应变软化特征,可明显分为线性增长,脆性破坏,强度恢复及残余稳定4个阶段;界面峰值强度和残余强度受温度变化影响最为显著,并且动力荷载特性对界面强度具有一定规律性的影响;温度主要通过冰胶结力作用对剪切强度和残余强度产生影响,随着温度的降低,界面内聚力显著增大,从而表现为冻结强度的增加。通过对动荷载作用下冻土与混凝土接触界面强度特性分析,阐明了界面冻结强度特征及形成机理,可为寒区工程中的冻土与桩基接触面间的剪切特性研究以及结构物抗冻拔病害防治提供参考。     

黄土隧道围岩压力拱效应分析

以兰渝铁路大断面黄土隧道工程为背景,采用数值计算和模型试验对黄土围岩压力拱效应进行分析,可得结论:(1)由于荷载传递路线发生偏转,拱部围岩切向应力因承担径向传来的荷载而增加,且离隧道边界越近应力增幅越大,压力拱边界向围岩深部扩展。(2)靠近隧道洞周,边墙处应力路径切向应力、径向应力低于原岩应力,切向应力表现出较强的应力集中,径向应力只有小幅增加。(3)相对于黏性土,黄土抗剪强度较小,需要更大范围的土体参与承受围岩压力,致使压力拱外边界远离隧道断面;黄土围岩压力拱边墙处最大,拱顶处次之,拱底处最小。(4)黄土围岩破坏过程表现为局部裂隙产生、局部裂隙扩展、裂隙急剧贯通、残余强度等4个阶段;拱顶松动塌落出现在边墙剪切滑移破坏基础上。(5)数值分析与模型试验所得黄土围岩压力拱的范围基本相符,验证了压力拱的客观存在;压力拱承担着自重与外部土体荷载,自洞周向围岩深部依次为松动区、压力拱、原岩应力区。     

加载方式对钢管活性粉末混凝土短柱抗压性能影响的研究

钢管活性粉末混凝土的超高强度能有效减小构件的截面尺寸,减轻结构自重,在高层建筑和桥梁建设中都有良好的应用前景。考虑实际工程中钢管活性粉末混凝土结构可能出现的其中2种加载方式——全截面加载及核心混凝土加载,进行不同加载方式对钢管活性粉末混凝土轴压短柱受力性能影响的试验研究。试验结果表明,2种加载方式下试件的应力发展过程不一样,但极限状态时钢管切向应力均接近钢材的屈服强度,纵向应力均接近0,试件的极限承载力相差不大,但套箍作用和刚度有一定的差异。讨论2种不同加载方式作用下试件的破坏机理、极限承载力公式及荷载变形情况。利用有限元软件ABAQUS建模分析并与试验结果进行对比。     

断裂理论在含裂纹盾构隧道安全性评价中的应用

盾构施工顶进、营运损伤或地震灾害等原因都可能导致盾构隧道发生各种裂纹,影响结构的营运安全。隧道传统的弹塑性安全评价方法无法考虑结构内部存在的裂纹,因此可能导致与事实不符的安全性评价结论,有鉴于此,引入断裂理论,并基于裂纹周边一定范围平板受力假定,对隧道内侧不同位置含不同深度纵向裂纹的应力强度因子进行分析,绘制了不同深度裂纹条件下的盾构隧道应力强度因子包络线,并与钢筋混凝土的断裂韧度进行对比,以评价特定荷载条件下含裂纹盾构隧道的安全性并阐述断裂理论的应用过程。     

一种高速铁路隧道预制装配式基底结构静动力响应分析

针对传统铁路隧道设计和施工的不足造成的铁路隧道底部病害,以实际在建工程项目为依托,提出一种针对高速铁路隧道的预制装配式新型隧道底部结构,采用有限元数值软件分析了拼装构件整体及榫槽与关键接触位置在施工期和运营期不同荷载工况条件下的静动力响应。结果表明:该隧底结构在施工期及运营期荷载作用下应力、应变及加速度均低于设计混凝土的承载能力,结构满足行车荷载条件。     

红黏土—混凝土光滑接触面直剪试验研究

利用大型直剪仪对土—混凝土接触面的应力应变特性进行研究,研究不同法向应力条件下光滑接触面的剪切变形特性,并构建相应的剪切本构模型。试验结果表明:接触面τ-δ关系曲线为峰值型,但是随着法向应力的增大,峰值趋势减缓。光滑接触面剪切破坏强度符合摩尔-库伦破坏强度理论,光滑接触面的黏聚力和摩擦角小于红黏土自身,阐述了接触面破坏的原因。通过对光滑接触面的剪胀(缩)特性研究,发现存在区分剪胀和剪缩的临界法向应力,并给出了计算方法。此外,探讨直剪试验双曲线模型参数的确定方法,求出适合的双曲线参数,通过该模型可以求得一定法向应力范围内任意双曲线模型参数。     

基于颗粒流理论的流塑状软土地基稳定失效机理研究

基于散体介质理论建立流塑状土中CFG桩的力学模型,分析了水平荷载作用下流塑状软土复合地基的变形特性及破坏模式,并研究了土的细观力学特征与桩土相互作用宏观力学行为之间的联系。研究结果表明,在水平附加荷载作用下桩周土应力最大值位置与其刚度、黏聚力有关,流塑状软土复合地基中存在桩周土绕过桩现象,其中桩周土位移是桩顶位移的30倍左右。提出了流塑状软土复合地基桩体"视抗剪强度"的概念,该强度指在水平附加荷载作用下发生结构性破坏时桩体发挥的强度。     

土-混凝土接触面剪切破坏模式分析

通过对红黏土与混凝土结构进行大型直剪实验,对其剪切过程进行数值模拟,分析了红黏土与混凝土结构接触面的破坏形式。试验结果表明:剪应力-剪位移曲线表现为折线型和双曲线型,分别对应于接触面在剪切过程中存在的滑移破坏和弹塑性破坏2种不同形式,随着混凝土表面粗糙度的增大,接触面的剪切破坏由滑移破坏逐渐向在土体内部形成剪切滑动带的破坏过渡。数值分析结果表明:法向应力较小时,剪切破坏形式主要表现为滑移破坏;随着法向应力的增加,逐渐转变为向土体内部形成剪切滑动带的破坏;并且在相同法向应力作用下,随着接触面粗糙度的增加,土体内部形成的剪切滑动带的厚度增加。     

高速列车气动荷载作用下隧道内配电箱安全性分析

当高速列车通过隧道时,其周围所产生的气压波不可避免地对轨旁电力附属设施造成气动冲击影响。配电箱作为一种隧道内广泛分布的轨旁电力附属设施,在气动荷载作用下,其锚固安全性会受到一定影响。以配电箱为研究对象,利用Abaqus与Fluent进行联合仿真分析其结构安全性。利用流体力学计算软件Fluent,建立空气-高速列车-隧道三维CFD数值计算模型,得到了气动荷载时程曲线;基于Abaqus有限元计算软件,建立配电箱-锚栓-隧道结构的三维精细化有限元模型,研究气动-地层荷载联合作用下配电箱、锚栓与衬砌的动力响应特性以及高速铁路隧道轨旁配电箱的破坏模式与影响因素。研究结果表明：在气动-地层荷载联合作用下,相对于配电箱以及锚栓本身,锚栓安装基座的衬砌表层混凝土最容易发生破坏;混凝土的破坏形状呈现以锚栓中心为轴线的表层椎体分布特征,混凝土潜在破坏模式为渐进式剥离破坏与黏结破坏;混凝土内拉应力与锚栓直径呈现明显的负相关性,为避免因混凝土破坏而造成配电箱脱落等安全事故,可适当提高锚栓直径。     

高水压条件下盾构隧道联络通道及集水井施工力学行为研究

以武汉地铁越长江盾构隧道江中段联络通道及集水井为依托,提出一种适合砂性地层高水压条件下地下结构施工力学行为数值模拟的计算处理方法。即耦合使用地层-结构法和荷载-结构法,对土体和水体进行分别处理。其中,地层依据地层-结构法按实际地层建模,容重采用干容重;水体则作为荷载直接施加在结构表面,水体所产生荷载根据施工过程施加;结构未修建之前按水压施加在底部透水性较差基岩上进行地层初始应力场计算。将上述方法应用于武汉地铁越长江盾构隧道联络通道及集水井施工力学行为数值模拟中,得出影响钢管片、联络通道衬砌和集水井衬砌变形及应力分布的关键因素;验证提出的适合砂性地层高水压计算处理方法的可行性,并提出针对性建议。     

隧道围岩与衬砌结构变形规律数值模拟研究

针对隧道施工过程中的围岩稳定性问题,运用FLAC软件比较分析了未采用衬砌与采用衬砌加固两种工况下隧道围岩的应力分布与变形规律.数值计算中采用摩尔-库仑弹塑性模型,隧道衬砌与周边岩体之间的接触面采用接触单元.结果发现,未采用衬砌加固措施前,隧道周边岩体变形较大,隧道硐室出现大规模的垮塌现象;经过混凝土衬砌加固之后,岩体变形显著减小.此研究对隧道的开挖与衬砌结构的施工提供重要参考价值.     

逆断层隧道掘进过程中瓦斯数值模拟研究

断层是影响隧道掘进过程安全性的重要因素,其煤岩完整性的破坏致使瓦斯运移条件发生了变化。为研究逆断层隧道掘进过程中岩石的动态破坏过程和煤岩瓦斯的渗流-应力-损伤耦合作用,结合兴隆坪隧道的实际地质资料,建立了数值计算模型。利用RFPA2D-GasFlow软件,模拟了瓦斯压力为2.0 MPa工况下隧道掘进过程中断层破碎带附近岩体的应力分布特征。其模拟结果将瓦斯突出破坏过程分应力增加阶段、断层破裂阶段和应力致使瓦斯突出阶段,得到了瓦斯流量等值线分布的变化规律。指出了逆断层下盘隧道掘进临近断层过程中,断层活化及裂隙贯通区是瓦斯突出危险时刻,并对隧道掘进过程致使煤岩体损伤-破坏-裂隙贯通-瓦斯突出全过程进行了分析。     

狮子岭隧道病害成因分析与整治措施

基于准噶尔—东胜铁路狮子岭隧道基底隆起、衬砌开裂等病害,结合现场勘测数据分析了病害成因,建立有限元荷载-结构模型对基底结构安全性进行了检算分析。结果表明:基底混凝土板安全系数不满足设计要求,中心最大拉应力超过抗拉强度极限值,结构已经破坏。结合隧道现场实际情况,对基底隆起且已发生结构性破坏区段采用仰拱拆换方案,对尚未发生结构性破坏区段采取"锚注一体化"并施加预应力的加固方案,对裂缝扩展区段采用密封和钢板加固的综合整治方案。整治效果良好。     

高速铁路柔性路基下CFG桩弯曲破坏研究

水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)复合地基因其成本低、桩体刚度大、沉降小,广泛应用在对工后沉降要求较高的高速铁路路基加固工程中,但是关于柔性路基下复合地基稳定性和破坏模式的研究尚不成熟。结合工程实例,采用理论分析和数值模拟的方法,研究了铁路柔性路基下CFG桩地基稳定性和破坏模式。研究表明:与复合地基剪切破坏准则和BS 8006-1:2000规范获得的稳定系数相比,基于弯曲破坏强度理论计算得出的CFG桩复合地基稳定系数最小;基于CFG桩弯曲破坏模式得出的最危险圆弧滑动面与不加CFG桩时不重叠;对于柔性路基下CFG桩加固的复合地基,当下伏地层土质较差时,可在路基外设置1～2排桩;CFG桩顶加筋垫层可以提高桩体承受侧向荷载的能力,从而提高桩网结构复合地基的稳定系数,降低弯曲破坏发生的概率。     

不同加载频率及循环应力水平对人工冻融软土动力特性影响试验研究

近年来冻结法作为一种提高土体强度的手段被广泛应用于地铁隧道施工中,然而在列车循环荷载作用下冻土融化后会产生较大变形,影响地铁列车的运营安全。基于室内动三轴试验,研究列车加载频率、应力幅值和固结压力对冻融土体动孔压及应变的影响,得到地铁列车循环荷载下冻融软土的动力特性规律。试验研究表明:冻融后土体强度显著降低,且由于列车循环荷载作用会发生更大程度的下降。在地铁不同频率荷载下,其加载频率越低,动孔隙压力值越高,冻融后软土应变增幅明显。在相近循环应力比下,固结压力比应力幅值对冻融土动力特性影响更大。同时,基于试验数据,建立地铁列车循环荷载作用下的冻融土孔压累积模型,模型预测值与试验值较为吻合。     

电气化改造工程接触网基础冻结强度试验研究

研究目的:为保证格拉段电气化改造工程接触网基础的正常工作和长期稳定，需重点研究接触网基础与冻土的冻结强度及其影响因素。本文采用大型应力控制式剪切仪开展多种温度和含水率条件下冻结粉土与混凝土接触面的直剪试验研究。研究结论:(1)接触面剪切应力-位移曲线主要分为弹性变形、塑性变形和滑动破坏三个阶段；(2)接触面抗剪强度与法向应力呈正比，与冻结温度呈反比；(3)当试样含水率低于饱和含水率时，随着含水率的增大，接触面抗剪强度增大，超过饱和含水率时，接触面抗剪强度随含水率的增大略有减小；(4)温度越低，接触面内摩擦角越小，黏聚力越大，黏聚力对接触面冻结强度的作用越突显，接触面黏聚力随含水率的增大先增大后减小，内摩擦角随含水率的增大而减小；(5)本研究成果可为多年冻土区接触网基础的设计提供参考。     

考虑粗糙度影响的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性研究

为保证多年冻土地区桥梁桩基在服役期的安全稳定,需研究考虑流变效应的桩端承载及桩侧承载性能,其中考虑桩-冻土接触面蠕变特性的桩侧承载性能是多年冻土桩基长期稳定性的关键。利用自行研制的大型应力控制式剪切仪开展冻结砂土-混凝土接触面的剪切蠕变特性研究,试验采用灌砂法定义混凝土表面的粗糙度,其中4组为试验分析组(粗糙度为0,0.039,0.059和0.098 mm),1组为模型验证组(粗糙度为0.02 mm)。基于冻结砂土-混凝土接触面蠕变试验,研究蠕变变形、蠕变速率与时间及粗糙度的变化规律,揭示粗糙度影响下的接触面剪切蠕变机理,建立考虑粗糙度影响的接触面现象学蠕变模型。研究结果表明：冻结砂土-混凝土接触面在恒荷载作用下表现出显著的蠕变效应。不同粗糙度条件下,冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性不尽相同,粗糙度越大试样衰减蠕变时间越长、稳定蠕变阶段越明显、蠕变稳定性越强;稳定蠕变速率随粗糙度的增大而减小,二者呈线性变化规律,得到发生非衰减蠕变的临界粗糙度为0.093 mm。提出的现象学蠕变模型对冻结砂土-混凝土接触面蠕变曲线有着良好的适应性,同时也可用于预测不同粗糙度条件下试样的蠕变规律,可为多年冻...     

基底空洞条件下重载铁路隧道铺底结构动力响应分析

为分析基底空洞条件下重载铁路隧道铺底结构的动力响应特性,确定其潜在易损部位,依托大秦铁路摩天岭隧道工程,采用有限元软件ABAQUS建立列车-隧道-围岩一体化三维数值模型,分析列车荷载单独作用和围岩压力与列车荷载共同作用两种工况下基底空洞对铺底结构的影响.结果表明:基底空洞会明显增加隧道铺底结构的动力响应,列车荷载单独作...     

橡胶垫对隧道衬砌管片接触特性的影响试验研究

利用粘贴有橡胶垫的混凝土试件来模拟管片和橡胶垫,通过直剪试验分析了橡胶垫对隧道衬砌管片接触特性的影响。试验结果表明:混凝土与混凝土直接接触时剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性、塑性硬化和理想塑性变形3个阶段;混凝土试件粘贴橡胶垫后,接触面出现明显的软化变形阶段,橡胶垫在混凝土之间起到良好的缓冲作用,可以释放应力,延缓管片的失稳破坏过程。采用Archard非线性摩擦幂次准则描述了两种接触条件下接触面剪切峰值应力与轴向应力的关系,为类似接触问题剪切峰值应力的预估提供依据。