叠合式套拱加固带裂损衬砌的破坏机制研究

采取叠合式套拱方案,加固拱顶带纵向裂缝的隧道衬砌结构,并基于1∶10的相似模型试验,量化研究拱顶松动荷载作用下结构的破坏机制,即受力变形特征、裂缝发展过程、短期刚度衰减规律以及破坏模式,进而探讨补强结构的极限承载能力计算方法,并分析原衬砌裂缝深度对补强效果的影响。研究表明,地层抗力为10 MPa/m时,松动荷载下,补强结构的受力变形过程分3个阶段,以拱顶开裂、拱顶叠合面错开为分界点;主裂缝集中于拱顶、拱腰部位,整体破坏为延性破坏,破坏荷载由拱顶截面控制;补强结构的开裂荷载、短期刚度、破坏荷载与既有裂缝深度满足线性关系。     

偏压荷载下裂损特征对隧道衬砌受力影响试验

研制了偏压加载的全周封闭隧道模型试验装置,可对衬砌结构任意位置施加荷载,较真实地模拟偏压荷载作用下损伤衬砌受力特征。完成了6组1∶10破坏性模型试验,对比偏压荷载下衬砌结构力学行为的裂缝特征效应。试验结果表明:偏压荷载下完整衬砌破坏过程为"偏压侧拱脚、非偏压侧拱肩、偏压侧拱肩",共三个阶段,前三条裂缝出现时承载为极限荷载的30%~45%;压皱出现时承载比例为70%,试件急剧破坏,整体呈延性破坏。裂缝和荷载在同侧时,加载破坏过程为"偏压侧裂缝张开、压皱、试件破坏",呈脆性破坏,拱肩裂缝对衬砌承载力影响最大。第一条预制裂缝在拱顶,深度为1/3衬砌厚度,第二条预制裂缝在拱肩,深度分别为1/3、1/2、2/3衬砌厚度时,试件极限荷载为完整衬砌的86.34%、76.09%、68.94%。衬砌结构均为偏压侧拱肩外侧压碎导致整个结构失去承载能力。损伤裂缝使得结构刚度大幅度减小,提出了裂缝深度与极限承载力关系公式,模型试验结果与公式计算值基本一致。     

基于承载力分析的公路隧道结构健康度评价方法

目前针对松动荷载作用下隧道结构受力变形与损伤演化机制的研究相对较少,缺乏结构剩余承载力的量化分析依据,不利于结构健康度评价与维修处治方案的确定。针对上述问题,利用室内模型试验及数值仿真手段,研究不同围岩条件下结构受力变形规律及破坏特征,提炼结构健康评价关键指标,建立基于承载力的健康度分级标准。通过研究,提出:(1)拱顶松动荷载下衬砌破坏过程分为3个阶段,以拱顶开裂、主裂缝张开为分界点,破坏时拱顶内侧、拱腰外侧钢筋拉断,形成三铰拱体系;(2)衬砌结构承受相同荷载100 kPa时,抗力系数1.58 MPa/m的工况拱顶下沉3.3 cm,抗力系数200 MPa/m的工况拱顶下沉0.23 cm;抗力系数从1.58 MPa/m增大到200 MPa/m时,极限承载力从196 kPa增大到1 840 kPa;(3)以衬砌开裂、拱顶下沉3 cm、拱顶钢筋屈服、拱腰钢筋屈服、拱顶钢筋拉断为关键节点,建立衬砌结构健康度的5级划分标准,并以拱顶下沉及边墙收敛作为简易评价指标,对V～VI级围岩,拱顶下沉控制值建议取5 cm。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

空洞对盾构隧道结构受力与破坏影响模型试验研究

通过将渐进性破坏理论应用到盾构隧道管片衬砌结构病害(尤其是管片开裂)产生的破坏分析中,采用相似模型试验方法,通过超载的形式从管片衬砌结构内力及位移、声发射信息、管片破坏过程方面,分析地层空洞缺陷对盾构隧道管片从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程的影响。试验结果表明:空洞缺陷的存在对衬砌结构的极限承载能力及破坏模式具有显著影响,首先是会降低管片失稳临界点对应荷载值,临界点对应的最大位移值与隧道半径比值减小,其次降低管片结构开始出现宏观裂缝时的荷载值;对于空洞的分布位置,拱肩位置空洞的存在更容易导致结构的失稳,其次拱腰和拱顶;空洞的存在也会改变衬砌结构失稳起始位置的分布,导致失稳起始位置接近或直接位于空洞位置。     

衬砌背后空洞影响下隧道结构裂损规律试验研究

衬砌背后空洞的存在严重影响了围岩与衬砌之间的相互作用,极易引起衬砌结构破损并直接影响到运营安全。通过模型试验,系统研究了拱顶与拱肩背后存在双空洞条件下隧道结构裂损演化过程及衬砌结构轴力和弯矩的变化规律。模型试验结果表明:(1)衬砌背后双空洞的存在,严重影响隧道结构的受力状态,易导致衬砌结构承载力不足;(2)拱顶与右拱肩背后存在双空洞条件下衬砌裂缝出现的顺序为:仰拱内表面裂缝→空洞间衬砌内表面裂缝→拱肩空洞右侧衬砌外表面裂缝→拱顶空洞左侧衬砌内表面裂缝→左拱脚衬砌外表面裂缝→右拱腰衬砌外表面裂缝;(3)空洞尺寸变化显著改变了衬砌内力分布,空洞尺寸的增加,引起两空洞间衬砌结构轴力减小而弯矩增大,使两空洞间的衬砌结构破坏程度更严重;(4)衬砌背后空洞的位置及数量对隧道结构裂损过程有较大影响,衬砌背后存在双空洞时衬砌裂缝的传播过程更复杂。研究成果可为衬砌背后多空洞影响下衬砌裂缝病害的防治和修复提供参考。     

断面扁平隧道结构套拱加固效果分析

结合浙江白阳山隧道采用塑性损伤与扩展有限元模型研究了扁平型隧道结构损伤演化机制与裂缝扩展规律,分析了叠合式套拱结构加固效果.研究表明,偏压荷载作用下,隧道破坏过程可分为弹性变形、左拱腰内侧开裂、左拱腰外侧压屈、钢筋屈服4个阶段,裂缝呈现出快速延伸、缓慢扩展以及快速张开的行为机制.取达到原结构破坏荷载的50％进行加固时,...     

封顶块位置对盾构隧道管片结构力学特征与破坏形态的影响分析

对于盾构隧道管片衬砌结构而言,封顶块位置对其在相同荷载条件的力学响应及破坏失稳特征具有显著的影响,通过将渐进性破坏理论引入到盾构 隧道管片衬砌结构病害发生及扩展过程分析中,采用相似模型试验研究方法,从盾构隧道管片的声发射数据、结构位移及内力、宏细观裂纹发生及扩展等方 面,比较分析封顶块位置对盾构隧道管片从材料细观损伤到结构宏观局部破坏再到结构整体失稳的整个渐进性破坏失稳过程的影响。试验结果表明：①封顶 块的位置不同,使得因环向接头的位置不同,在外荷载一样的情况下,管片与地层的协调变形不同,导致整环管片的整体刚度不同,封顶块位于拱腰时其整 体刚度相对其他两组较大;②封顶块不同位置对结构失稳时的最大局部变形位置有较大影响,临界失稳时的最大位移与隧道半径之比相差不大,均在2%~3% 之间;③封顶块不同位置对管片结构开始产生宏观裂缝的荷载级别及产生位置也有较大影响,封顶块位于拱腰时,开始产生宏观裂缝的荷载级别相对其他两 组大,主裂缝和压溃区发生的位置较多。     

砂卵石地层非对称连拱隧道结构受力模型试验研究

针对砂卵石地层特性配制了围岩相似材料,利用自主研发的大型平面模型试验台架,对不同荷载条件下非对称连拱隧道的受力特性进行了深入研究,重点分析了衬砌外表面压力和结构内力的分布及变化特点,总结了隧道裂缝的发展规律和结构破坏过程。试验结果表明：非对称连拱隧道大洞衬砌外表面压力显著大于小洞,但两者分布规律相似,最大值均位于拱顶,其次为内侧拱肩,外侧拱腰处最小|左右洞室受力不对称导致隧道中墙存在明显偏压|注浆加固圈可以有效降低衬砌外表面压力,改善结构受力条件,提高结构稳定性。结构内力在加载过程中呈现出复杂变化,在裂缝产生之前,基本保持线性增长|首条裂缝出现后,结构内力重新分布,但总体上仍具有一定的承载能力|当裂缝充分发展,特别是当拱部出现裂缝后结构承载能力大幅下降。衬砌结构首先于内侧拱脚处出现纵向裂缝,随着荷载的增加,裂缝数量和宽度也逐渐增加且主要分布在靠近中墙一侧。     

流变荷载作用下隧道裂损二次衬砌结构安全性能研究

围岩流变效应导致的衬砌开裂是软弱围岩地层隧道服役期间较易遭遇的问题。针对该问题,以某软弱破碎千枚岩隧道为例,在对该隧道二衬开裂情况及原因进行调查的基础上,建立锚杆-围岩复合体结构流变模型及基于壳-接头的二次衬砌开裂模型,对二次衬砌在不同裂损程度、不同开裂位置及不同裂纹数量下结构的长期安全性进行了分析。结果表明：单条裂纹情况下,随着裂纹深度的增加,隧道各开裂截面处安全系数逐渐减小,拱顶、拱肩、拱腰处几乎呈线性降低,而拱底的安全系数变化最为显著|相对于开裂截面,未开裂截面由于刚度大,对流变荷载的反应更为敏感,即截面的安全系数随着衬砌服役年限的增加变化更为剧烈,部分截面安全系数甚至会降至1以下|当η>0.7(η为裂缝截面刚度折减系数)时,结构的安全性主要受流变荷载控制,当0.5<η<0.7时,结构的安全性受流变荷载及截面裂损程度的共同控制,当η<0.5时,结构的安全性主要受截面裂损程度的控制|在实际工程中,结构出现两处裂纹时,当裂损程度η=0.5时对结构进行加固是比较适宜的|而结构出现三处裂纹时,当裂损程度η=0.7时对结构进行加固是比较适宜的。     

水压对盾构管片衬砌力学特征与破坏形态的影响模型试验研究

水压力作为一个重要因素,对盾构隧道管片衬砌结构的受力状态及长期安全性具有显著的影响。文中依托广深港客运专线狮子洋盾构隧道工程,采用模型试验的方法,比较分析了0m、30m、60m三种不同水压条件下管片衬砌结构的内力、变形、声发射数据及裂纹产生发展等试验数据信息,探讨水压对盾构隧道管片衬砌结构受力状态及破坏特征的影响规律。研究结果表明：在一定范围内,水压的增加,延长了管片衬砌结构的弹性受力阶段及塑性发展平台,延缓了结构内部出现损伤破坏的时间,提高了衬砌结构的极限载能力。随着水压的增加,管片临界失稳点的最大位移与隧道外半径之比由2.33%增大到2.77%,但是由局部损伤破坏出现到管片衬砌结构整体失稳的过程变得更短,发展速度变得更快,管片的主要破坏形式由以受拉破坏为主变为以压剪破坏为主。     

盾构隧道错缝拼装管片衬砌局部原型结构破坏试验

为探明盾构隧道管片衬砌的局部破坏特性,定量评价结构的安全状态,选取考虑前后环错缝拼装组合的原型管片结构局部构件进行加载试验研究。详述结构裂缝的发展、主应力的分布、螺栓的受力与管片内力、变形以及接缝张开、错台的关系,揭示结构的破坏机理,并采用数值计算对试验结果进行验证。研究结果表明：结构初始裂缝出现在中间环内弧面靠近相邻环接缝处,并发展成为最终破坏的主裂缝。在恒定截面轴压比、增大偏心距的加载方式下,结构中部为压弯破坏,两侧为压剪破坏。试件接缝并未发生破坏,张开量较小,错台量较大,手孔附近应力集中较为严重。错缝构件的破坏机理可归纳为：结构刚度较大的区域首先开裂,导致整体刚度重分布,之后刚度较大的区域继续开裂,如此循环,直至结构变形过大发生破坏。可将裂缝宽度、接缝错台量与控制截面竖向位移作为结构安全的评价指标。     

公路隧道喷射混凝土套拱加固结构力学特性

为研究喷射混凝土套拱加固前后二次衬砌与混凝土套拱的受力状况,依托陕西汉中至留坝段八里关隧道,运用有限元软件建立隧道混凝土结构套拱加固分析模型,并通过现场监测获取二次衬砌与套拱间的接触压力、套拱格栅拱架钢筋应力、套拱混凝土应力,将数值模拟结果与现场测试结果相结合,得出套拱结构的一般受力变化规律。结果表明:套拱加固前衬砌结构的最不利荷载位置位于施工缝附近的拱顶、拱肩与拱脚处; 由于衬砌局部变形与温度应力的影响,套拱混凝土应力变化呈现反复“上升-下降-上升”最后趋于稳定的特点; 套拱的作用是控制二次衬砌的进一步变形,套拱施作后所承受荷载较小,套拱反作用力远小于围岩作用于衬砌的应力,在应力计算中不应将衬砌与套拱作为整体计算; 套拱结构数值模拟所得的结果与现场测试套拱结构内力(轴力、弯矩)的大小及分布相似度高,但在衬砌裂损严重部位,数值模拟所得结果误差较大,应以现场测试结果为准。     

纵向裂缝对隧道衬砌承载力的影响分析

 基于隧道衬砌拱顶结构1∶1的荷载试验,建立衬砌裂缝深度与衬砌刚度的关系,提出裂缝处衬砌刚度计算的梁弹簧模型。基于梁弹簧模型分析裂缝位置、裂缝深度和地层抗力对衬砌结构承载力的影响。计算结果表明：隧道拱顶安全系数随裂缝深度增加呈线性降低,裂缝深度为衬砌厚度的50%时,安全系数则降低78%;相同裂缝深度情况下,裂缝在拱顶时最不利,裂缝在拱腰、边墙以及拱脚时对结构安全系数影响较小;地层抗力对拱顶、边墙以及拱腰的安全系数影响较大,对拱脚的安全系数影响较小。     

不同地质条件下盾构隧道受力变形特性研究

针对天津滨海地区盾构隧道衬砌结构,采用大型有限元软件ABAQUS建立三维地层-结构模型,考虑隧道管片材料非线性特征,利用混凝土材料的塑性损伤本构模型,研究地层和隧道结构相互作用后隧道管片结构内力分布与变形特征,以及隧道管片受拉和受压损伤情况。最后,研究不同地质条件和超载作用对隧道管片结构的影响。数值分析结果表明：隧道管环横截面变形表现为水平向外扩张、竖向压缩的特点,呈现“横鸭蛋”形状;隧道管环拱顶轴压力最小,拱腰轴压力最大;管片外侧受拉时最大弯矩位于拱腰,内侧受拉时最大弯矩位于拱顶;受拉和受压损伤分布均集中在拱底附近,其中管环受压损伤面积比受拉损伤面积大;地质条件越好,变形随轴线方向变化越均匀,轴力和弯矩、隧道结构竖向位移、横截面收敛变形,以及管环损伤面积与损伤程度越小。研究结果以期为进一步探讨隧道衬砌结构的变形性能与损伤分布提供参考。     

基于透明岩体的深部隧道围岩变形分析

鉴于当前实验条件,无法直接观测岩体内部的变形演变过程,难以满足对岩体内部全域的变形时间效应与空间特征分析的要求,以透明岩体实验新技术为出发点,对模型隧道周边围岩的内部变形过程进行全程二维数字照相量测,得到深部隧道围岩内部变形的时空演化规律。研究发现:隧道顶部、帮部及底部的岩体径向位移都大致与隧道埋深呈指数衰减关系;隧道拱顶、拱底、左腰和右腰处岩体的径向位移都与顶部荷载呈指数递增关系;随着顶部荷载的增加,隧道顶板岩体最终将沿着两侧拱腰斜方向一定范围内两条弧线而向隧道内发生整体性剪切滑动,导致隧道失稳破坏。研究结果揭示了深部隧道围岩变形破裂时空演化机理,为深部隧道事故防治提供了依据。     

Analysis of shearing effect on tunnel induced by load transfer along longitudinal direction

In order to analyze the behavior of load transfer mechanism of shield-constructed tunnel in longitudinal direction, tunnel is modeled as the cylindrical shell within elastic foundation (CSEF). By applying the theory of elastic cylindrical shell (ECS) with considering shear deformation and assumed displacement functions of trigonometric series, the distribution of stress and deformation in tunnel lining is obtained. In the solution, the stiffness of tunnel lining is decomposed into two components of circumferential and radial stiffness. The effects of both components on the behavior of deformation and internal forces of tunnel lining are discussed in details. By using the proposed solution, more reasonable results on the behavior of tunnel lining are obtained, e.g bending moment in tunnel cross section becomes smaller with the increase of the circumferential shear stiffness. The analytical results are verified by the results of 3D FEM analysis and field measured data. In accordance with the proposed analytical method, the tunnel lining in soft ground should be designed via considering the following aspects: (i) three dimensional effect of tunnel lining; (ii) relatively weaker shear stiffness in radial direction, and (iii) increase the circumferential shear resistance between rings.     

火灾下盾构隧道衬砌拼接接头力学行为试验研究

盾构隧道管片接头是隧道结构的薄弱部位,针对盾构隧道管片接头的抗火性能研究显得尤为重要,该文以存在安装误差的缩尺衬砌结构接头试件进行火灾试验,以管片的表观特征、温度场分布及变形响应等特征,研究火灾高温作用下盾构隧道衬砌结构接头的力学性能.研究结果表明:无初始缺陷的衬砌管片爆裂面积大且深度浅,具有初始缺陷的衬砌管片剥落深度...     

开挖方式对跨基覆界面浅埋偏压隧道变形的影响分析

崩坡积～灰岩交界段(土岩交界段)一部分为松散的坡积体,一部分为岩体,工程性质相差较大,不同的隧道开挖方式会对隧道的稳定产生较大的影响。基于四川省九寨沟—绵阳高速公路某隧道工程,采用模型试验和数值模拟的方法,对有挡土墙预加固措施情况下崩坡积～灰岩接触地段浅埋偏压隧道在环形开挖预留核心土法、三台阶七步开挖法、CD法和CRD法4种开挖方式下的受力和变形特性进行研究。结果表明:土岩交界段浅埋偏压隧道的地表沉降呈现出明显的不对称特征,4种开挖方式下的最大地表沉降均向左侧偏移; 4种开挖方式产生的最大围岩位移都发生在隧道的拱顶处,且右拱肩、右拱腰的沉降值小于左拱肩、左拱腰; 4种开挖方式最大主应力的最大值出现在隧道右拱腰位置处,最小主应力的最大值出现在隧道右拱脚位置处; 相较于三台阶七步开挖法,环形开挖预留核心土法、CD法及CRD法都能够最大限度地保证隧道施工的安全。     

考虑管片接头渗流的盾构隧道流固耦合模型研究

管片接头是盾构隧道衬砌的渗漏水多发区域,长期渗流导致荷载分布和受力模式变化,危及结构安全。针对现有研究难以对接头渗漏下盾构隧道力学特性准确模拟的现状,提出一种新的模拟分析思路,基于开发的接头联接单元模拟盾构衬砌接头位置的力学变形响应,采用有限元软件二次开发数值实现接头渗流,要点在于密封垫张开引起的接触应力和外水压力动态变化的迭代分析,进而建立管片接头渗流下的盾构隧道流固耦合数值模型。结合上海地铁盾构隧道工程实例,对不同接头渗流、渗流量、接头刚度和防水性能等因素影响下的隧道力学变形机理和地表沉降规律进行分析。研究发现：管片接头位置与渗流量对于衬砌结构的内力存在一定影响,具体表现为弯矩明显增加而轴力略微减小,拱腰接头发生渗流对结构内力的影响最大。隧道结构的变形随着渗流量的增加而增加,且基本呈正比关系;拱腰、拱底和拱顶接头发生渗流时对结构侧向移动和变形的影响依次减小。隧道结构和地表沉降随着管片接头渗流量增加而增加,且基本呈正比关系;拱顶接头发生渗流时,地表沉降最大但隧道沉降最小;拱底接头发生渗流时,地表沉降最小但隧道沉降最大。研究成果对完善盾构隧道流固耦合分析模型有一定参考价值。