衬砌脱空对隧道地震响应影响的振动台试验研究

以某两车道高速公路隧道为原型,针对隧道衬砌完好且背后无空洞、拱顶衬砌完好但背后有空洞、拱顶衬砌厚度不足且背后有空洞3类情况开展振动台模型试验,研究既有隧道衬砌背后空洞及衬砌厚度不足对隧道地震响应的影响。试验结果表明:衬砌背后空洞及衬砌厚度不足对隧道地震响应的影响很大,显著降低了隧道结构的抗震性能,改变了隧道地震破坏模式,衬砌厚度不足处和空洞处成为抗震薄弱部位。随着空洞范围和衬砌厚度不足程度的增加,这种影响随之增大。相比较而言,空洞对抗震性能的影响更明显,衬砌厚度不足的影响呈非线性变化。对于无缺陷情况,衬砌开裂部位为与隧道中轴线约成45°角的拱腰和墙脚位置;当存在拱顶衬砌背后空洞时,衬砌拱顶部位首先出现裂缝,以拱顶、墙脚和仰拱部位开裂为破坏特征;当拱顶衬砌厚度不足且存在空洞时,衬砌破坏均以拱顶及墙脚开裂为主。     

梁轨纵向位移阻力系数双弹簧模型研究

对考虑加载历程的城市轨道交通桥梁梁轨非线性相互作用问题进行了研究。基于DT-2扣件位移阻力试验结果和分析,提出适用于加载历程的扣件“双弹簧模型”。采用该模型进行梁轨相互作用计算,并与传统线性叠加方法进行对比分析。结果表明:传统“线性叠加”法在钢轨拉压力计算上偏于保守,而在梁轨相对位移与墩顶纵向水平位移计算上偏于不安全。     

水工混凝土弥散型裂缝数值模型中开裂判据的研究

重大水利工程中,混凝土结构多处于高水压环境,坝体或多或少存在着裂缝,然而大部分开裂的混凝土坝仍能够安全运行,从而引申出是否可以允许混凝土结构出现裂缝,多大的裂缝才不至于引起破坏,以及用怎样一个合理的指标来对混凝土开裂程度进行描述评判的问题。该文以等效塑性应变表征混凝土弥散型裂缝模型数值模拟中的开裂破坏,通过混凝土单轴拉伸数值模拟,并根据试验资料及相关文献,建立了等效塑性应变与主拉应变、裂缝宽度之间的关系,得到对应于“有害裂缝”的等效塑性应变值。将方法和成果运用到混凝土重力坝的开裂研究中,具有较好的实际工程意义。     

我国自强自立高质量发展“四个基础”面临的科学理论难题与对策建议

基础材料、基础元器件、基础软件和基础算法(简称为“四个基础”)是我国基础工业和高科技工业发展的基石, 未来十五年是我国“四个基础”突破重围、自强自立高质量发展并引领国际的关键时期。本文通过战略研究, 分析了我国“四个基础”的发展现状, 提出了“四个基础”发展面临的核心科学理论难题, 建议从五个方面系统建设有利于突破重围和超越引领的原始创新环境与体制机制。     

深埋隧道轴线合理布置与衬砌结构稳定性研究

深埋隧道常处于构造应力状态,且水平应力分布并不均匀。采用数值模拟和模型试验方法,研究自重应力场、水平大主应力与洞线平行和垂直、不同围岩级别隧道轴线选择对围岩和衬砌结构稳定性影响。水平大主应力与洞轴平行时,围岩最不利位置发生在边墙;水平大主应力与洞轴垂直时,围岩最不利出现在拱顶。水平地应力使得二次衬砌受力特征发生很大改变,自重应力条件下,衬砌首先发生裂缝部位为拱顶,发生压弯破坏,建议加强衬砌拱顶内侧纵向配筋,提高正截面抗拉能力。当大主水平应力与轴线垂直时,关键控制部位为墙脚,出现压剪破坏,应增设墙脚箍筋,提高抗剪承载力。规范提出隧道轴线宜与水平大主应力方向一致原则,是有适用条件的。研究成果可为深埋隧道设计、施工提供参考。     

断层走向对隧道地震响应影响的振动台试验研究EI北大核心CSCD

为探讨不同断层走向下隧道在地震作用时的响应规律及破坏机理,开展了振动台模型试验及数值分析,研究了隧道的加速度反应、动应变及围岩动土压力的变化规律和隧道的动态破坏形态。分析结果表明:地震下隧道衬砌将受较大的拉、压作用,尤其穿越断层处隧道衬砌张拉裂缝分布数量多、复杂,多集中于拱脚、拱肩和仰拱;隧道各部位的加速度和动应变的时程变化规律与输入的地震加速度时程曲线基本保持一致,说明隧道在地震过程中保持整体运动性,但断层对地震动力反应具有一定的放大效应,且随着断层走向与隧道夹角减小而更加明显;动土压力伴随地震荷载作用呈现动力时程变化规律,动土压力幅值整体呈"两侧大、顶底小"的规律,且断层走向对隧道动土压力影响较大。研究结果可为隧道的抗震设计和施工提供参考,具有重要的实际工程意义。     

断层走向对隧道地震响应影响的振动台试验研究

为探讨不同断层走向下隧道在地震作用时的响应规律及破坏机理,开展了振动台模型试验及数值分析,研究了隧道的加速度反应、动应变及围岩动土压力的变化规律和隧道的动态破坏形态。分析结果表明:地震下隧道衬砌将受较大的拉、压作用,尤其穿越断层处隧道衬砌张拉裂缝分布数量多、复杂,多集中于拱脚、拱肩和仰拱;隧道各部位的加速度和动应变的时程变化规律与输入的地震加速度时程曲线基本保持一致,说明隧道在地震过程中保持整体运动性,但断层对地震动力反应具有一定的放大效应,且随着断层走向与隧道夹角减小而更加明显;动土压力伴随地震荷载作用呈现动力时程变化规律,动土压力幅值整体呈"两侧大、顶底小"的规律,且断层走向对隧道动土压力影响较大。研究结果可为隧道的抗震设计和施工提供参考,具有重要的实际工程意义。     

多界面干摩擦系统的减振特性及设计方法研究

作为一类非线性阻尼, 干摩擦阻尼器的减振效果通常与激振力水平直接相关, 且往往只在一个激振力水平下具有最佳振动抑制效果。为改善其“激振力-减振效果”特性, 提出了设计多界面干摩擦系统的思路。从一类可描述扭转振动的集总参数模型出发, 探讨了此类系统的可行性, 并给出了无量纲的动力学方程组。其次, 提出了一种改进的时/频转换方法, 用以分析包含任意干摩擦界面系统的频域响应, 考虑了每个干摩擦界面上可能出现的周期内“滑移”、“滑移-阻滞”和“阻滞”运动状态。同时, 用相应的数值积分方法验证了该方法的正确性和在计算速度上的优势。在此基础上, 分析了干摩擦界面的个数、临界摩擦力和质量对系统特性的影响, 以二界面和三界面干摩擦系统为算例, 阐明了采用多个干摩擦界面改善系统减振性能的机理和设计方法。     

水下盾构法铁路隧道管片衬砌结构的 原型加载试验研究

针对我国第一条水下铁路盾构法隧道——狮子洋隧道,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"装置原型管片衬砌结构,在通缝和错缝不同的拼装方式下进行了原型结构加载试验,对其结构力学性能进行深入探讨。试验结果表明,不同水压条件下管片衬砌结构力学特征不同,尤其是当结构开裂后,高水压对于结构内力与形变的发展有明显的减缓作用。狮子洋隧道采用的榫式接头管片结构在通缝与错缝拼装下的破坏特征不同,通缝拼装时结构在高水压条件下纵缝附近区域易发生局部剪切破坏,该研究成果可为同类工程的设计提供有价值的参考。     

岩溶隧道衬砌水压力分布规律研究

长期以来隧道衬砌水压力问题,一直是人们争论的焦点。依托宜万铁路岩溶隧道工程,对不同防排水方式（即全封堵、堵排结合及排放方式）的隧道衬砌水压力分布规律进行研究,研究方法主要采用模型试验及现场测试方法,模型试验的比例尺为1：16,试验台架可同时施加土压和水压。通过模型试验得出水压力分布规律：全封堵条件下衬砌背后水压力不能折减,注浆圈也不能有效减小水压力;隧道内排水后衬砌背后水压力明显减小,并随着排水量的增加,水压力基本成直线下降;相同排水量时,注浆效果越好,衬砌背后水压力减小越明显;隧道采用全排导方式时,衬砌仍承受一定的水压。由模型试验得出的水压分布规律的部分结论,在现场水压力测试中得到了验证。     

高速铁路富水黄土隧道隧底循环动载试验研究

在高速列车循环振动荷载作用下,隧道仰拱和仰拱底部地基土中垂直振动速度和土压力沿深度的传递与衰减规律,是隧道设计不可缺少的重要参数。对于洞身位于地下水位以下的隧道,还需要考虑水压力的影响。国内外尚未见到有关这些问题研究的任何报道。依托铁道部科技研究开发计划重大课题,首次在富水黄土隧道内进行了模拟高速列车振动效应的循环动载试验,获得了不同加载频率下隧底垂直振动速度和土压力沿深度的衰减规律、恒定加载频率下不同深度的土压力变化规律、仰拱底部超静水压与不同频率下加载次数的关系。研究成果为隧道仰拱厚度和填充材料的优化设计提供了可能,为类似条件下隧道的设计和施工提供了试验依据和技术支持。     

准饱和粘弹性土-隧道衬砌系统的动力特性

将衬砌和土骨架分别视为多孔弹性材料和具有分数阶导数本构关系的粘弹性体,在频率域内研究了饱和度对分数导数型准饱和粘弹性土-半封闭圆形隧洞弹性衬砌系统动力特性的影响。将水-气混合物视为一种均匀流体,基于Biot两相动力固结理论和弹性理论,分别得到了简谐轴对称荷载和流体压力作用下分数导数型准饱和粘弹性土的位移、应力和孔压以及衬砌的位移和应力解析表达式。利用衬砌内边界上的边界条件及土体和衬砌界面处的连续性条件,得到了待定系数的具体表达式。通过算例分析,发现:衬砌和土体相对渗透系数对孔压幅值的影响与饱和度有关;流体压力作用下,随着饱和度的减小,位移幅值逐渐增大。另外,分数导数模型参数对系统动力响应有较大影响。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞饱和土-衬砌系统的动力响应

考虑隧洞衬砌内壁对爆炸波的反射作用及其负压效应,将衬砌视为弹性介质,研究了深埋圆形隧洞饱和土-弹性衬砌耦合系统在隧洞轴线发生爆炸时的轴对称瞬态动力响应。首先,基于Biot理论和弹性理论,考虑边界条件以及弹性衬砌和饱和土接触面处的连续性条件,利用Laplace变换得到饱和土和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析表达式。在此基础上,利用Laplace数值逆变换得到其时间域的动力响应,数值分析重点考察了不同隧洞模型和不同爆炸载荷模型对饱和土动力响应的影响,并进行了参数研究。结果表明:爆炸波反射产生的负压效应对饱和土体的动力响应有显著影响。同时,饱和土-壳体衬砌系统、饱和土-弹性衬砌系统和无衬砌饱和土隧洞的响应性态基本一致,但响应周期和幅度依次增大。     

爆振对衬砌损伤特性影响的室内试验研究

本文根据一隧洞施工现场的实测爆振波特性，就爆振波对隧洞衬砌的浇筑时间、衬砌混凝土受振后的强度降低问题进行了室内爆振模拟试验，并应用损伤力学理论对试验结果作出了合理解释；对工程上所关心的安全爆速、衬砌的安全距离及合理衬砌时间等重要参数都给出了明确解答。     

爆振对衬砌损伤特性影响的室内试验研究

本文根据一隧洞施工现场的实测爆振波特性，就爆振波对隧洞衬砌的浇筑时间、衬砌混凝土受振后的强度降低问题进行了室内爆振模拟试验，并应用损伤力学理论对试验结果作出了合理解释；对工程上所关心的安全爆速、衬砌的安全距离及合理衬砌时间等重要参数都给出了明确解答。     

非均质围岩压力隧洞混凝土衬砌的初裂间距

非均质围岩中,水工压力隧洞混凝土衬砌间距不等,裂缝位置未知。建议一个能够确定初裂裂缝位置的数值计算方法,并利用现场试验结果验证了其可行性。阐明了典型地质条件对衬砌最大应力位置,即第一条裂缝位置的影响。通过大量计算,分析了混凝土开裂所引起的释放应力的特性,从而得出压力隧洞混凝土衬砌有关初裂间距的某些概念:相同围岩条件下,大直径压力隧洞混凝土衬砌的初裂裂缝条数少于小直径隧洞;洞径相同条件下,非均质围岩中混凝土衬砌的初裂裂缝条数少于均质围岩隧洞;各计算情况下,混凝土的初裂裂缝条数为 1条~4条,裂缝条数较少的主要原因是开裂时,围岩对衬砌的平均切向抗力较小(约为0.05MPa)和应力松弛范围较大,约90°。     

流冰对输水隧洞衬砌的撞击影响研究

基于LS-DYNA软件对流冰与输水隧洞的撞击作用进行非线性有限元仿真模拟,并且通过几何比尺CC1为5的室内物理模型试验进行相应的验证,发现水介质中不同工况下流冰对输水隧洞衬砌的撞击影响规律.最终结果表明:流冰的压缩强度对隧洞衬砌的撞击影响呈现出近似的对数函数关系;流冰厚度对隧洞衬砌的撞击影响呈现出近似的多项式关系;综合...     

葵花型索穹顶结构力学性能及拉索破断试验研究

通过对一直径6m的葵花型索穹顶试验模型,进行竖向对称加载、非对称加载以及拉索瞬间破断试验,研究了该结构的受力特点以及单根拉索瞬间破断时结构的响应特征。应用非线性有限元数值计算方法建立索穹顶计算模型,对葵花型索穹顶结构的力学性能进行了分析,并与试验结果进行比较。结果表明:在各加载阶段,节点竖向位移实测值普遍较计算结果偏大,拉索索力实测值与计算结果总体吻合较好;对称加载过程,结构的荷 载-位移关系具有较好的线性规律;与对称加载比较,非对称加载的荷载-位移关系则表现出非线性,节点位移也较大,非对称荷载对结构竖向刚度的设计起控制作用;单根拉索瞬间破断时,结构会有微幅振动,不同位置拉索的失效对结构的影响程度不尽相同。     

Constitutive modeling of cementitious materials in the framework of chemoplasticity

In this paper, a multi‐surface plasticity model for chemically reactive media such as shotcrete is described. It consists of the Drucker‐Prager criterion for simulation of compressive failure and the Rankine criterion accounting for brittle material response under tensile loading. The material model is formulated in the principal stress space. The robustness of this formulation and, hence, the applicability of the proposed material model is demonstrated by means of the analysis of the Sieberg tunnel in Lower Austria. Insights into the structural response as well as the level of loading of the tunnel lining are given. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.