钢拱架应力反分析隧道初期支护力学性能的研究

适时分析软弱破碎围岩段衬砌结构的内力状态是隧道动态施工中的关键性问题之一,对判断隧道施工安全状态和评价支护结构稳定性具有重要意义。考虑钢拱架已作为软弱围岩段公路隧道初期支护的重要形式,现通过分析隧道施工现场钢拱架支护的自身特点和受力特性,建立含有钢拱架和喷射混凝土的隧道复合初期支护的地基曲梁力学模型。然后运用地基曲梁相关理论,通过现场监测的钢拱架应力推求出隧道复合初期支护内力解析式,从而迅速得到隧道支护结构的应力集中部位。最后,经由台阶法施工的隧道工程实例运用表明,基于实测钢拱架应力求解隧道初期支护内力的解析研究是分析软弱破碎围岩段隧道支护力学性能的一种新方式,并能及时有效地为隧道现场施工安全提供直观、可靠的力学依据和技术支持。     

沉管隧道结构纵向受力理论计算模型研究

考虑地基弹性抗力系数K随时间的变化,采用简支梁模型和弹性地基梁—简支梁复合模型,对沉管隧道管节沉放对接阶段结构纵向内力分布进行计算分析。改进半柔半刚性接头等效模型,采用定向支座结合剪切弹簧对接头进行模拟。考虑临时垫块的影响,对现有沉管隧道运营期结构受力计算方法进行修正。依托舟山沉管隧道,对管节结构纵向内力进行分析。研究结果表明:改进的接头模型可实现弯矩传递和两端位移差的限制,具有一定的合理性;某一管节沉放对接完成后,相邻的上一管节临时垫块部位的负弯矩发生较大幅度增大,可能引起该处顶板环向开裂;运营阶段管节临时垫块部位和桩基支承部位的负弯矩较大,需要重点监控。     

双连拱隧道施工力学特性研究

通过对北京市第1个公路双连拱隧道（黑古沿双连拱隧道）的监控量测,获得了初期支护的接触应力、锚杆轴力、钢拱架内力的变化情况,监控量测结果表明：隧道先施工洞室结构受力比后施工洞室大,并且在施工过程中会出现反复交替现象;施工中进行监控量测,可顺利实现不同工况下施工方法的合理转换。     

软岩隧洞锁脚锚杆–钢拱架联合承载分析

锁脚锚杆–钢拱架联合支护是控制隧洞拱顶下沉的有效措施。为了研究其承载机制,建立软岩隧洞锁脚锚杆–钢拱架联合承载的力学计算模型,考虑钢拱架与锁脚锚杆连接处的弯矩、轴力、剪力传递及变形协调。将钢拱架处理为弹性固定无铰拱,采用结构力学法进行求解。锁脚锚杆的横向效应和轴向效应分析表达式分别采用弹性地基梁法和荷载传递法进行详细推导。通过实例首先研究锁脚锚杆的内力与变形特性,并与未考虑弯矩传递及变形协调的已有文献中的模型结果进行对比,然后讨论不同打设角度对锁脚锚杆与钢拱架连接处的内力和变形的影响,最后应用该模型对比分析围岩侧压力系数、刚度以及锁脚锚杆各参数对控制隧洞拱顶下沉效果的影响规律。得出以下结论:锁脚锚杆最不利受力位置在与钢拱架焊接的部位,该部位应焊接牢固,并且在计算模型中宜考虑焊接部位的弯矩传递;锁脚锚杆横向效应主要集中在端部附近区域,该区域围岩应重点加固,且锚杆过长对发挥其横向作用并无贡献;其打设角度不宜过大,取45°左右为佳;增大单根锁脚锚杆(管)规格或增加数量,可获得更好的支护效果;设计中,围岩侧压力系数宜考虑较小值。     

钢拱架柔性支撑稳定性预测判别方法探讨

新奥法思想引入后,以型钢钢拱架锚喷支护为主的柔性支撑在大跨公路隧道中得到广泛运用,但由于缺乏柔性支撑安全性预测有效的系统方法,新奥法理念很难真正实现,事故仍时有发生。通过柔性支护钢拱架作用特点研究,在现场钢拱架上应变计监控量测数据基础上,利用力学原理,对钢拱架初支弯矩与轴力综合考虑,结合隧道开挖中事故发生过程的特点,进行分等级判别安全性,提出钢拱架锚喷支护安全性预测判别方法,该方法计算程序简单,现场操作方便,能及时准确反映围岩稳定性状态。工程实例表明,该方法能基本显示隧道开挖过程中初支作用下围岩稳定性安全性级别,并反映初支内力变化规律,可为有效控制施工安全及时提供参考信息。     

公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内开挖模型试验

开展了公路隧道下穿倾斜煤层采空区室内相似模型试验,考虑了不同开挖进尺和初期支护参数的影响,通过埋设位移计、土压力盒及电阻应变片,测量了隧道开挖过程中采空区附近地层的移动和初期支护的内力。试验结果表明,增大隧道开挖进尺,地层最终沉降量、隧道施工过程中的沉降速率均显著增加,沉降槽变得更窄、更陡。减少钢拱架数量也会引起地层沉降的增加,但增加幅度相对较小。增加开挖进尺或减少钢拱架数量还将引起钢拱架弯矩增加,使得拱部最大弯矩向右侧移动,并改变轴力分布,降低初支结构稳定性。研究结果表明,隧道下穿倾斜煤层采空区地层时,可以不对采空区进行加固,但需要降低围岩级别进行初期支护设计,并采用较短的循环进尺进行隧道开挖,同时缩短上台阶初期支护时间,尽早使初期支护闭合成环,从而降低开挖引起的地层的沉降,保证初期支护结构的稳定性。     

基坑支护结构的非线性土抗力分析法

考虑基坑开挖过程中土体和支护墙的非线性相互作用特性 ,提出了一种合理模拟基坑施工过程的支护结构内力和变形分析的土抗力法。该方法在地基土抗力和土压力的模拟上优于现行的弹性地基梁法 ,使计算结果比较符合实际     

热力暗挖隧道结构内力计算分析

热力管网地下结构的内力计算模型分为荷载结构模型和地层结构模型。岩土的弹性抗力系数在结构计算中是重要的力学参数,通过自行研制组装的大尺寸地层弹性抗力系数测试系统,根据不同地层的特点在北京地区不同区域的热力工程施工现场,进行原位试验,取得了北京典型地层的岩土力学参数,并根据实测的参数采用有限元分析技术对浅埋暗挖热力隧道结构的内力进行分析,得到隧道衬砌结构内力与地层弹性抗力系数的比例关系,为热力隧道结构设计提供一定的参考。     

锁脚锚管受力分析的双参数弹性地基梁模型

 针对Winkler地基梁模型的固有缺陷,将能够反映地基连续性的Pasternak双参数地基梁模型引入到锁脚锚管–钢拱架的联合承载分析中,考虑锁脚锚管与钢拱架之间的变形协调与荷载传递,采用结构力学和弹性地基梁理论推导锁脚锚管挠度、剪力、弯矩和地基反力的解析表达式。分别通过算例和工程实例考察不同地基基床系数和剪切刚度对锁脚锚管力学行为的影响规律,并与Winkler地基梁模型进行比较。结果表明：基床系数越小,2种模型计算所得锁脚锚管剪力、弯矩以及地基反力等的差异越明显;由双参数模型所得的地基反力数值较大,而且分布范围更小,主要集中在锁脚锚管端部附近区域;由双参数模型所得的隧道下沉量要小于Winkler模型的计算值。给出了适当减小锁脚锚管长度,并增大其直径的建议。研究成果可为软弱围岩隧道支护设计提供理论参考。     

承压溶腔对隧道开挖稳定性影响的模型试验

以某三车道公路隧道为依托,开展临近承压溶腔隧道开挖的室内相似模型试验,获得在一定的溶腔大小和内压下,不同位置处溶腔对隧道开挖过程中的洞周位移、钢拱架内力、初支背后围岩压力及洞周围岩应变等影响的特征和规律,并和无溶腔工况进行对比。结果表明:隧道最终拱顶下沉量大小顺序为无溶腔时下沉量溶腔位于拱顶时下沉量溶腔位于隧道边墙处时下沉量溶腔位于仰拱处时下沉量,边墙最终水平收敛量大小顺序为溶腔位于仰拱时的收敛量溶腔位于拱顶时收敛量无溶腔时收敛量溶腔位于边墙时的收敛量。相对于无溶腔而言,临近溶腔存在使得钢拱架的弯矩增大,并增加了轴力分布的不均匀性及偏心距,不利于初期支护结构稳定。同时,溶腔的存在还会减小局部的地层抗力或围岩压力,增大初期支护受力的不均匀性,并在溶腔周围形成一定范围的应力集中区,极大地改变了溶腔与隧道之间围岩的应变分布,对该区域的围岩稳定也较为不利。     

Internal force monitoring and estimation of a long‐span ring beam using long‐gauge strain sensing

The internal force information of curved beam members is important evidence for the stress state evaluation and design verification of long‐span space structure during construction. Many structural analysis methods for curved beams have been proposed, but most are used to handle the complex geometric shapes. For stress state evaluation of long‐span steel‐concrete composite (SCC) ring beam, this article presents a method that employs a sectional strain distribution model (SSDM) and a fiber model to estimate the internal force distribution depending on the long‐gauge strain. The SSDM of the ring beam used in the article is based on a mechanical model of two‐dimensional (2‐D) plane bending deformation and a three‐dimensional (3‐D) solid finite element model of curved beam members. The application range of the SSDM is defined by the divided different stress areas of ring beam based on the 3‐D solid finite element model. Combined with the established SSDM and the different stress areas, the axial force and bending moment along the span are then identified separately based on the fiber model. In consideration of field monitoring, the influence of different sensor layout on the establishment of SSDM and the result of internal force identification is discussed. The results of the numerical studies show that the proposed methodology can identify the internal force distribution accurately. Internal force of long‐span ring beam from Jiangsu Grand Theater during construction is also identified through the proposed method by using the strain monitoring data.     

考虑拱效应的隧道管棚力学模型与参数分析

为了更好地研究隧道管棚的实际受力状态,根据隧道施工工序和施工影响,将隧道管棚划分为二衬段、初支段、开挖段以及掌子面前方的扰动段和未扰动段等五段,考虑管棚注浆后形成整体管棚拱的拱效应,建立了五段式隧道管棚的Winkler弹性地基梁新模型,推导了五段式隧道管棚模型的挠度和内力计算公式,并与既有工程案例进行对比分析,同时对不同的开挖进尺、管棚直径和加固区弹性模量进行了分析。结果表明:新模型得到的管棚挠度最大值和挠度最大值对应的位置与现场监测结果更为接近,能够解决已有管棚模型因边界条件设置不合理而造成的管棚变形在扰动段的末端出现的上拱现象,更符合管棚实际的变形情况;改变开挖进尺对管棚的挠度影响更大,管棚钢管直径为108 mm和114 mm时,其管棚支护效果相差不大;当E_c(加固区弹性模量)＞40.0 E_g(围岩弹性模量)时,开挖进尺和钢管直径对管棚的挠度和弯矩的影响不大,因此,提高加固区的弹性模量是减小管棚挠度和内力最有效的方法。     

新型加强型钢拱梁的性能分析及优化

通过有限元软件ANSYS,本文计算分析了在钢拱梁轴线平面内增加适当的撑杆和预应力索而形成的新型加强型钢拱梁结构的受力性能,并且分析了改变加强型钢拱梁两侧撑杆的相对长度对改善结构受力性能所起到的优化作用,显示了两个加强型钢拱梁在不同竖向荷载作用下结构应力和位移的变化规律。结果显示两加强型钢拱梁的刚度和承载力与普通大跨度钢拱梁相比均有很大的提高,改变两侧撑杆相对长度的加强型钢拱梁与原加强型钢拱梁相比受力更加合理。     

浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析

在土江冲隧道进口段采用应变计对管棚纵向变形进行监测，根据现场测试结果分析管棚在隧道开挖过程中的受力特性，讨论管棚的作用机制。对管棚的刚性固定端Winkler弹性地基梁模型进行改进，建立浅埋暗挖隧道管棚受力的弹性固定端双参数弹性地基梁模型，推导出管棚的扰度方程及应力、应变计算公式，提出求解方法。将弹性固定端双参数弹性地基梁模型应用于土江冲隧道管棚作用机制的分析，计算结果与实测结果吻合较好，说明采用弹性固定端双参数弹性地基梁模型分析管棚受力特征是可行的。     

高沥青混凝土心墙受拉特性的简化力学分析方法

目前,沥青混凝土心墙受力变形特性研究尚缺乏简化的分析方法。针对高沥青混凝土心墙存在严重的受拉现象,探讨了心墙产生拉应力的机理,结合拱结构的特殊传力机制,提出了减小心墙拉应力的构想,即将直线型心墙堆石坝设计成曲线型心墙堆石坝;基于Winkler弹性地基直梁和曲梁理论,构建了直线型心墙和曲线型心墙的简化力学分析模型;借助该模型分析了坝高和堆石料模量对直线型心墙的挠曲变形和拉应力(弯矩)的影响,考察了曲线型心墙减小其内部拉应力的效果。研究表明,建立的简化力学分析模型能够较好地反映心墙的受力变形特性;直线型心墙端部存在较大的拉应力,坝高越高和堆石料模量越小,心墙端部的拉应力越大,心墙产生拉破坏的风险越大;曲线型心墙借助挠曲变形使其轴线缩短和将横向荷载部分转化成轴向压荷载以减小弯矩以及增大轴向压力达到减小其端部拉应力的目的,曲线型心墙相较于直线型心墙拉应力减小约42.7%,显著改善了心墙的受拉特性,增强了心墙的安全性。     

竖向荷载作用下框支密肋壁板结构墙梁内力计算分析

通过对不同比例模型框支密肋壁板结构墙梁在单调竖向荷载作用下的试验,对墙梁在竖向荷载作用下的受力特点给予探讨;结合有限元分析,对影响墙梁内力分布的主要因素进行研究;以弹性地基梁理论为基础,采用三角级数解析,给出框支密肋壁板结构墙梁内力计算公式,并回归出内力修正系数。理论分析和试验结果表明,托梁与密肋复合墙体具有相当强的组合作用;采用本文提出的内力计算公式进行计算更接近试验结果。     

软弱围岩隧道锁脚锚杆受力特性及其力学计算模型

锁脚锚杆在软弱围岩隧道中应用非常广泛，为了研究其受力特性，以包茂线西康高速公路包家山特长公路隧道为依托，采用现场试验的方法，对典型断面锚杆轴向应力进行测试，结果表明：拱部锚杆受力较小，最大应力仅为锚杆极限应力的11.5%，作用不大；锁脚锚杆受力较大，最大应力达到锚杆极限应力的55.4%，作用很大；锁脚锚杆受长度和角度限制，不能发挥锚固作用。在分析其受力特性的基础上，采用结构力学和弹性地基梁的方法，建立了钢架和锁脚锚杆力学计算模型。应用该模型对隧道测试断面处的锁脚锚杆受力进行了分析计算，给出了锁脚锚杆弯矩分布图。根据弯矩推算锚杆应变值，并与实测值进行对比，结果表明：实测值和计算值规律一致，在距离孔口最近位置处锚杆应变最大，随着距离孔口距离增大，应变逐渐变小。     

基坑开挖引起邻近管线变形的理论解析

基坑开挖将造成邻近地下预埋管线向基坑方向变形,针对此问题,采用弹性地基梁推导了管线的变形和内力解析式。传统的弹性地基梁模型中,在基坑开挖面施加卸载释放荷载,然后通过Mindlin解获取管线上的附加应力,详细分析了该法的不足,提出采用基坑开挖引起的土体附加变形作为弹性地基梁模型中的外部作用。分析了基坑一侧土体纵向变形适用的经验公式,并以此建立了弹性地基梁微分方程,给出了管线变形和内力的解析解,针对解析解的计算困难,进一步给出了加权残值解。考虑到实际工程为三维问题,推导了管线的扭矩求解公式,完善了弹性地基梁解答。