山岭隧道二次衬砌环向裂缝的震害机理

目的 为深入研究山岭隧道二次衬砌在地震中的受力特征和破坏机制,解释衬砌结构环向裂缝的产生原因.方法 基于应答变位法理论,以汶川地震中受到破坏的龙溪隧道作为研究对象,采用有限元方法研究了山岭隧道二次衬砌沿其轴线方向的地震响应规律.结果 在隧道内离洞口1000m的区域,衬砌结构的轴向拉应变最大值达到了150×10-6,远高于C25级混凝土的极限拉应变,该区域首先发生环向断裂.结论 隧道结构的地震响应受其所在岩体受震时发生的相对变位所支配.强烈的地震发生过程中,沿隧道轴线方向的衬砌结构可能承受强烈的拉压作用.当衬砌混凝土的实际应变超过其极限应变时,会发生衬砌结构的环向开裂和混凝土剥落.     

BFRP连续配筋复合式路面配筋设计

为了控制连续配筋混凝土(CRC)路面结构在温降干缩作用下产生的横向裂缝,利用解析法推导裂缝控制指标的计算公式.结合有限元模拟验证解析公式的有效性,分析玄武岩纤维(BFRP)筋的材料特性与配筋方案对裂缝的影响.研究结果表明:解析法与有限元模拟结果吻合,可以用于CRC+ AC复合式路面BFRP配筋设计;BFRP筋弹性模量对裂缝间距与宽度的影响显著,为了减小裂缝宽度,采用弹性模量较高为宜;BRFP筋黏结刚度对裂缝间距与裂缝宽度的影响较大,黏结刚度不应低于20 GPa/m;相同配筋率时,小直径小间距方案对裂缝控制有利,配筋率不宜小于0.5％;考虑BFRP材料的耐腐蚀性,建议提高裂缝间距与宽度控制指标,分别不大于2.0 m和1.0 mm.     

火灾下隧道衬砌混凝土细观损伤演化

为了客观地反映火灾下衬砌混凝土高温损伤的本质,需要考虑混凝土结构特性的不均匀性.结合细观损伤力学,建立混凝土热力耦合作用下衬砌混凝土细观损伤过程的数值模型,该模型考虑了隧道衬砌结构顶部的受力状态,可以研究隧道衬砌混凝土在火灾过程中的力学行为与损伤过程.研究结果表明,火灾对隧道衬砌混凝土的力学性质和损伤演化过程影响显著,界面的力学特性决定宏观强度的差异;基于强度等效理论,隧道衬砌混凝土在RABT火灾荷载下的累积等效烧损深度呈曲线变化;细观数值模拟下损伤单元比例与等效烧损深度存在较好的线性关系.     

不同厚度砼衬砌的爆破临界振速研究

利用波函数展开法,分析了爆破地震波与邻近圆形衬砌洞室的相互作用过程,推导了爆破地震波作用下圆形衬砌洞室围岩和衬砌的应力及位移表达式.以混凝土衬砌厚分别为0.5 m和0.1 m为例,求出了爆破地震波作用下围岩和衬砌周围的应力及振速分布.结合应力和振速分布及衬砌的抗拉强度,得到了2种厚度衬砌的临界破坏振速.研究表明衬砌厚度的增加可有效减小围岩中的最大应力;混凝土衬砌越薄,其临界峰值振速越小.     

大跨公路隧道结构耐久性分析

对广州龙头山大跨公路隧道进行衬砌结构耐久性研究,根据隧道的环境特点及地下水质情况得出衬砌结构处于I类环境,环境作用等级属I-B,其主要的耐久性劣化机理是表层混凝土碳化引起的钢筋锈蚀.由于隧道跨度大,拱部拉应力区大,容易产生裂缝,裂缝的存在加剧了混凝土的劣化速度.在分析影响衬砌耐久性因素的基础上,研究了混凝土优化的配合比.通过大量试验提出了提高混凝土抗渗性与抗裂性作为提高混凝土结构耐久性的主要技术途径,可采用降低水胶比方法提高抗渗性,采用添加纤维方法提高抗裂性,并指出隧道施工过程的质量控制和运营期的维修养护对提高隧道结构耐久性的重要性.根据龙头山隧道现场条件,预测了衬砌结构的寿命,结果表明能满足100年的设计要求.     

纤维类型对塑性混凝土基本性能的影响

通过研究聚丙烯纤维、聚酯纤维、木质素纤维和玄武岩纤维对塑性混凝土工作、力学变形、抗渗等性能影响,发现塑性混凝土掺入纤维后:拌合物的坍落度、扩展度、泌水率均有不同程度降低,纤维的长度、吸水性及在混凝土中形成的网状结构对塑性混凝土工作性能影响显著;抗压、劈拉和抗折强度均有不同程度降低,纤维的填充作用超越了纤维与混凝土的黏结作用和纤维的吸水作用;变形性能明显改善,以聚丙烯纤维改善最为明显;相对渗透系数均有所降低,按降低作用由小到大依次为:木质素纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维和玄武岩纤维,纤维能在一定程度上阻止塑性混凝土内的原始裂缝,降低裂缝贯通的可能性.     

锈蚀不锈钢筋与混凝土黏结性能退化

通过不同锈蚀率下不锈钢筋混凝土试件的中心拉拔试验,分析锈蚀率、锈胀裂缝宽度对不锈钢筋/混凝土黏结性能退化的影响规律,分别基于质量锈蚀率和表面裂缝宽度建立不锈钢筋与混凝土黏结强度的预测公式,并与普通钢筋混凝土黏结性能进行对比分析. 研究结果表明：类似普通钢筋混凝土黏结退化规律,锈蚀不锈钢筋黏结强度随锈蚀率增大呈先增后减趋势,但拐点锈蚀率较普通钢筋更大;不锈钢局部坑蚀具有较强的随机性,使得锈胀裂缝宽度与锈蚀率的关系较为离散,与基于锈蚀率的黏结退化模型相比,基于表面锈胀裂缝宽度的模型可以更好地预测不锈钢筋与混凝土黏结强度的退化规律,工程实用性更强;在相同锈蚀程度下,不锈钢筋黏结强度退化程度较普通钢筋小,现有的普通钢筋黏结退化模型可以用于不锈钢黏结强度的预测,具有一定的安全保证.     

高强钢筋与超高性能混凝土黏结性能试验研究

为研究高强钢筋与超高性能混凝土(UHPC)的黏结性能,考虑钢筋直径、锚固长度以及保护层厚度等因素对黏结性能的影响,设计了15组45个常温养护条件下的中心拔出试件;通过中心拔出试验,观察试件在静力荷载作用下的破坏过程、裂缝的产生、试件破坏形态以及黏结应力-滑移曲线特征等.结果表明:高强钢筋与UHPC黏结强度较大,约为48～73 MPa;与普通混凝土不同的是钢筋与UHPC的黏结强度随着钢筋直径的增加而增加;黏结强度与保护层厚度成正比,与黏结长度成反比;保护层厚度对试件破坏模式影响较大,保护层厚度较薄时,试件发生劈裂;保护层厚度较大时试件发生拔出破坏.钢筋在拔出的过程中黏结应力-滑移曲线与坐标横轴围成的面积较大,表明其耗能能力较强.基于试验结果,结合黏结机理分析提出了黏结强度计算模型以及黏结-滑移本构方程,理论计算结果与试验结果吻合较好.     

基于黏结单元力学参数随机赋值的压力隧洞衬砌水力劈裂分析

压力隧洞衬砌水力开裂的随机性威胁深埋压力隧洞的安全运行。为准确模拟内水压作用下压力隧洞衬砌的随机水力劈裂过程,将混凝土衬砌视为两相介质,借助商业软件ABAQUS与MATLAB,结合用户材料子程序二次开发,基于黏结单元力学参数的随机赋值理论,建立压力隧洞衬砌内水外渗下的随机水力劈裂模型。首先,借助ABAQUS用户材料子程序二次开发,改进传统孔压黏结单元本构关系;利用改进的孔压黏结单元模拟衬砌中的初始缺陷等弱相,采用Weibull分布描述弱相力学参数的随机性;利用实体孔压单元模拟衬砌强相,强相材料参数取混凝土力学参数均值;内水压力按体力施加,建立压力隧洞衬砌渗流–应力–劈裂耦合分析模型;利用MATLAB对模型前处理与后处理。以某大型物理模型试验为例,采用本文模型进行压力隧洞衬砌的水力劈裂全过程模拟。结果表明:压力隧洞衬砌在高内水压下,不可避免发生开裂,出现内水外渗;衬砌裂缝分布稀疏,具有一定随机性;衬砌开裂部位钢筋应力先增长后回缩,与内水压力关系密切,内水外渗改善衬砌受力状况;提出的模型较好地模拟了压力隧洞衬砌在内水压作用下的随机水力劈裂特征、裂缝分布,且钢筋应力计算结果与模型试验实测结果吻合较好,为压力隧洞衬砌水力劈裂分析提供了一种可靠的方法。     

纤维在面板堆石坝面板混凝土中应用的试验研究

面板堆石坝的混凝土面板层属于大面积敞开式薄壁结构,在基础及钢筋的约束下,易产生塑性裂缝和早期干缩裂缝,研究了纤维素纤维和聚丙烯纤维对面板混凝土塑性裂缝及早期干缩裂缝的作用以及对混凝土抗渗性和抗冻性的影响.研究结果表明:纤维素纤维在混凝土塑性阶段具有显著的减裂效果,减裂率达到86.2%,而聚丙烯纤维的减裂率为52.0%;纤维素纤维和聚丙烯纤维对早期干燥收缩裂缝具有抑制作用,减裂率分别为66.7%和52.2%;纤维素纤维和聚丙烯纤维提高了混凝土抗渗性和抗冻性,其中纤维素纤维混凝土的抗渗等级提高了2个等级,聚丙烯纤维混凝土提高1个等级,两种纤维混凝土的抗冻性提高了50个标号.     

硬岩隧道纯钢纤维混凝土管片应用

在前期钢纤维混凝土材料性能试验、管片力学性能试验的基础上,采用FLAC 3D对硬岩隧道纯钢纤维混凝土管片施工进行数值模拟,并在青岛市地铁1号线开展现场试验。结果表明,与普通管片相比,纯钢纤维混凝土管片具有更好的抗裂性能,可有效减少裂缝的产生,减少约60%缺棱掉角现象;采用纯钢纤维混凝土管片可更为有效的控制地表沉降、侧壁收敛、拱顶沉降;硬岩隧道一般工况下管片处于全截面受压状态,无需配置受拉钢筋,钢纤维完全取代受力钢筋是切实可行的。     

硬岩隧道纯钢纤维混凝土管片应用

在前期钢纤维混凝土材料性能试验、管片力学性能试验的基础上,采用FLAC 3D对硬岩隧道纯钢纤维混凝土管片施工进行数值模拟,并在青岛市地铁1号线开展现场试验。结果表明,与普通管片相比,纯钢纤维混凝土管片具有更好的抗裂性能,可有效减少裂缝的产生,减少约60%缺棱掉角现象;采用纯钢纤维混凝土管片可更为有效的控制地表沉降、侧壁收敛、拱顶沉降;硬岩隧道一般工况下管片处于全截面受压状态,无需配置受拉钢筋,钢纤维完全取代受力钢筋是切实可行的。     

ECC混凝土桩板墙支挡边坡抗震性能振动台模型试验研究

在强震作用下，传统桩板墙支护结构易出现不可恢复的损伤和变形，工程水泥基复合材料（ECC）具有较高的抗拉强度和拉应变硬化特性，在约束裂缝开展、抗弯承载力及耗能能力上优于普通钢筋混凝土，但ECC桩板墙支护结构的抗震性能尚不明确。由此，开展ECC桩板墙支护结构（ECC桩板）和普通钢筋混凝土浇筑的桩板墙支护结构（RC桩板）振动台试验，对比其动力响应和破坏特性。结果表明：ECC桩板的抗震性能优于RC桩板；在相同的地震动作用下，ECC桩板支护下边坡的动力响应小于RC桩板支护时，在更高强度的地震动作用下，相同材料强度的ECC桩板可保证边坡稳定性；在动力作用下，ECC桩板和RC桩板表现出较明显的弹性和弹塑性，在输入地震动较小时，两种支护结构的动力响应较为一致；当输入地震动峰值较大时，ECC桩板支护下边坡的加速度放大系数为RC桩板支护下的0.77~0.9倍，ECC桩板和RC桩板的桩背动土压力分布都表现为“双峰型”，RC桩背动土压力峰值为ECC桩背的5倍左右；两种支护结构的桩顶残余位移与震级呈指数关系，RC桩板的桩顶残余位移为ECC桩板的2倍。破坏阶段，ECC桩板仅在嵌固端面出现多条细微裂缝，RC桩板出现抗弯破坏特征，钢筋和混凝土相对滑移明显，位移不可控。     

地表爆炸作用下钢筋混凝土管道裂缝扩展机制

为了研究地表爆炸作用下埋地管道的安全性,针对城区内常见的浅埋承插式钢筋混凝土管道,设计并实施全尺寸埋地管道地面爆炸现场试验. 结合全耦合数值模拟手段及分离式钢筋混凝土建模方法,基于混凝土smeared crack模型,分析地表爆炸作用下承插式钢筋混凝土管道结构体系的动力响应特征及管道裂缝扩展机制. 研究结果表明,地表爆炸作用下,管道内壁开裂以斜向裂缝和环向裂缝为主. 斜向裂缝均出现在管道的承插接口处. 当爆源位于管道承插接口上方和管身中部正上方时,距爆源最近的管道承插接口处均产生明显的斜向裂缝. 承插接口是承插式钢筋混凝土管道体系抗爆的薄弱部位.     

Failure Patterns and Energy Analysis of Shaft Lining Concrete in Simulated Deep Underground Environments

The failure patterns and energy evolution of three types of shaft lining concrete subjected to static and dynamic loading were reported.The energy and damage characteristics of concrete were determined by means of a uniaxial hydraulic servo machine,acoustic emission (AE) equipment,a split Hopkinson pressure bar (SHPB) and an ultrasonic wave analyser.The experimental results indicate that the confluence of multiple cracks forms a penetrating cross section in normal high-strength concrete (NHSC) under the condition of static loading,while the elastic energy that surges out at failure can cause tremendous damage when subjected to dynamic loading.A single crack was split into multiple propagation directions due to the presence of fibres in steel fibre-reinforced concrete (SFRC);adding fibre to concrete should be an effective way to dissipate energy.The non-steam-cured reactive powder concrete (NSC-RPC) designed in this paper can store and dissipate more energy than normal concrete,as NSC-RPC exhibits a strong ability to resist impact.Applying NSC-RPC to the long-service material of a shaft lining structure in deep underground engineering is quite effective.     

软土地基土-结构动力相互作用的若干问题

简要回顾土-结构动力相互作用研究的发展历程和技术应用现状,分析了土-结构动力相互作用的主要研究方法.指出了应用中存在的问题,并针对软土地区土-结构动力相互作用问题提出了结构动力学数字分析解析递推格式方法应用的建议.     

混杂纤维混凝土早龄期抗裂性能试验研究

选取强度等级CF40和CF50混凝土,在混杂纤维混凝土配合比三元叠加法试验基础上确定配合比:在钢纤维体积分数固定为1%时,聚丙烯纤维掺量在0.3～1.5 kg/m3内按级差0.3 kg/m3取5个水平;在聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时,钢纤维体积分数在0.5%～2.0%内按级差0.5%取4个水平,研究纤维的不同掺量对混凝土早龄期抗裂性能的影响以及试件裂缝形态的变化.结果表明,钢-聚丙烯纤维混杂具有耦合提高混凝土早龄期抗裂性能的作用,早龄期抗裂性能随纤维掺量的增加而提高;钢纤维体积分数和聚丙烯纤维掺量存在合理有效值.纤维混杂可以协同阻裂和限裂,使混凝土裂缝由宽、长形态调整为细、短形态.     

HDPF加固钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

为了研究高延性聚酯纤维加固钢筋混凝土柱的抗震性能,共进行了7根柱的低周反复试验,其中,3根在未加固状态下进行试验,4根柱粘贴高延性聚酯纤维加固后进行试验,针对位移延性系数、等效粘滞阻尼系数、总耗能、承载力和纤维带的应变进行了研究与分析。研究结果表明：未加固柱的承载力、耗能能力和延性都比较低,采用高延性聚酯纤维加固后的试件裂缝发展缓慢,加固后柱的承载能力、耗能能力、延性均有不同程度地提高;在塑性铰区域内增加局部配筋,能够提高纤维布的约束效果。     

集成光场三维显示亮度均匀性校正方法

针对集成光场三维显示亮度不均匀的问题,提出基于光场重构的提高三维显示亮度均匀性的方法. 该方法通过调制每台投影机投射画面各颜色通道的各处亮度,从而提高三维画面的整体亮度均匀性. 实验样机主要由76台小投影机构成的投影阵列和光场调控屏幕组成,通过 实验验证了提出的改善亮度均匀性的方法. 实验结果表明,采用该方法可以克服现有基于多投影的光场三维显示中画面亮度不均匀的缺陷.     

抗拉强度空间变异性对重力坝地震开裂的影响分析

由于施工质量不均匀和混凝土自身的非均质性,重力坝坝体混凝土强度具有空间变异性,这一特性会对大坝的抗震性能造成影响,而当前的重力坝地震动力分析中很少考虑混凝土强度参数的空间变异性。应用随机场理论构建大坝抗拉强度的空间变异随机场,采用中心点法离散随机场并构建自相关函数得到相关系数矩阵,对相关系数矩阵进行Cholesky分解和线性变换,结合独立标准正态分布样本矩阵生成相关对数正态分布样本矩阵,实现抗拉强度空间变异性的抽样模拟。考虑混凝土抗拉强度的空间变异性,采用混凝土塑性损伤模型对Koyna重力坝进行地震非线性动力分析,基于统计意义研究了坝体裂缝条数、裂缝深度、上游面裂缝分布范围和坝顶位移等动力响应特征。成果分析表明：考虑抗拉强度的空间变异性后,Koyna重力坝动力响应具有明显的离散性,且上游面裂缝条数增加后导致坝顶水平位移整体偏向下游,垂直位移整体上抬,残余位移增大;同时裂缝深度均值较均质材料情况增大,坝体震损程度总体加剧;Koyna重力坝实际观察到的裂缝位于计算得到的裂缝分布范围之内。对抗拉强度变异系数和水平向自相关距离的参数敏感性分析表明,坝体动力响应的均值和变异性随变异系数的增大而增大,但对抗拉强度的水平自相关距离变化不敏感。