Experimental investigation of the ultimate bearing capacity of deformed segmental tunnel linings strengthened by epoxy-bonded steel plates

In order to develop an effective method to increase the load-bearing capacity of deformed segmental tunnel linings, full-scale tests concerning the ultimate bearing capacity of the linings, strengthened by steel plates, were conducted. The design of the tested linings and the loading scheme are described in this paper. In addition to the bearing capacity, the failure mechanisms of the tested linings were investigated. It was found that bonding of steel plates to the deformed segmental tunnel linings is an effective and practical method for strengthening segmental tunnel linings, thereby enhancing both their ultimate bearing capacity and their overall stiffness. The behaviour of these structures under loading is similar, no matter whether they are strengthened by full-ring or so-called semi-ring steel plates. The failure of the strengthened linings is the consequence of local failure of the bond between the steel plates and the tunnel segment. Therefore, the success of the proposed strengthening method strongly depends on the bonding capacity.     

地铁盾构隧道纵向接缝承载能力试验研究与解析分析

当前地铁运营实践和研究表明管片接缝是盾构隧道衬砌结构的薄弱环节,接缝的受力性能直接决定了隧道结构的承载能力。依托于整环试验研究结论,以盾构隧道管片纵缝接缝为研究对象,对不同运营工况下管片接缝的承载性能进行了足尺试验研究,获得不同工况下构件挠度、接缝转角等变化规律,得到转角刚度。分析得到了纵缝接缝的破坏链条,推导了可模拟接缝受力全过程的解析模型分析了纵缝接缝的全过程受力性能及其极限承载力。并借此模型对接缝截面与全截面受力变形进行对比分析,通过试验数据与解析模型数据的对比分析验证解析模型的合理性。     

Experimental investigation of the ultimate bearing capacity of deformed segmental tunnel linings strengthened by epoxy-bonded filament wound profiles

A new strengthening method employing epoxy-bonded filament wound profiles (FWPs) has been applied to shield tunnels subject to large deformation. Full-scale tests were conducted on the ultimate bearing capacity of linings strengthened by the new method. With consideration for secondary loading, the strengthening measures were applied when the lining deformation reached 120 mm (0.02D). The failure phenomena are described, and the main loading process results were obtained, including load-displacement curves, cracking, and joint openings. The failure mechanisms, the key performance points, and bearing capacities of the tested strengthened linings are discussed and analysed. In addition, a comparison was made between two FWP strengthening methods as well as with epoxy-bonded steel plate strengthening methods. The results show that the epoxy-bonded FWP method is effective and practical for strengthening segmental tunnel linings, which can improve both the ultimate bearing capacity and overall stiffness of the structures. The failure of the strengthened linings is primarily caused by bond failure between the FWPs and the concrete lining segments, indicating that the bonding capacity of the adhesive is of great importance when utilising the proposed strengthening method.     

地铁盾构隧道衬砌结构变形及破坏探讨

盾构隧道衬砌结构的变形与破坏模式受接头的力学性能控制,但目前国内地铁盾构隧道接头形式多样,不同形式的接头对整环结构受力性能的影响机理还不清晰。基于足尺试验,分别研究单环、多环的国内典型地铁直螺栓接头衬砌结构、弯螺栓接头衬砌结构、快速接头衬砌结构的受力性能,对比分析其正常运营状态的变形、周边扰动下的破坏模式与极限承载力。结果表明：①通缝拼装盾构隧道衬砌结构的性能由纵缝接头性能决定,提高纵缝接头延性可使结构破坏模式从接头处连接件脆性断裂转变为结构整体失稳;②错缝结构性能取决于环间相互作用强弱,随着环间相互作用的增强,结构首个塑性铰位置从纵缝接头向管片本体转移;③可通过环间、环内的协调设计,优化结构正常运营状态基本受力性能,提高结构极限承载力并使结构发生延性破坏。     

连接螺栓对类矩形盾构隧道结构极限承载力影响的试验研究与分析

针对类矩形盾构隧道衬砌结构纵向接缝处弯矩正负性确定的特点,对纵向接缝连接螺栓位置进行了优化。基于结构整环足尺试验结果,对比分析了优化前后衬砌结构整体变形、接缝变形和螺栓应变的发展,研究了优化前后结构设计阶段受力性能、破坏机制、极限承载力和鲁棒性的异同。研究结果表明：①螺栓位置优化对结构设计阶段受力性能影响较小;②优化后结构在带缝工作阶段的受力性能明显提升,结构整体刚度提高,极限承载力提高30%;③优化后结构破坏呈延性破坏特征,属于塑性铰机制,结构结构整体安全性得到提高。     

大断面类矩形盾构隧道管片接头极限抗剪切#br# 承载力试验研究

类矩形盾构隧道具有断面利用率大、覆土浅、施工成本低等优点,在城市高密度区域具有广泛的应用前景。相较于广泛使用的圆形隧道,类矩形隧道由于自身成拱效应较差,隧道肩部接头结构易产生较大的剪切荷载,有必要对接头的剪切性能进行研究。文章以某大断面类矩形盾构隧道为原型,以混凝土管片接头为试验对象,采用足尺试验方法对其抗剪切性能进行研究,归纳宏观破坏现象,获得了剪轴比（接头剪力/轴力）-相对错台量关系等整体力学响应特性,得到了剪力-螺栓应变曲线和剪力-混凝土表面应变等局部力学响应特性,并引入数字照相分析技术（DIC）对接头结构的开裂破坏全过程进行记录,分析剪切裂缝的扩展规律,最后对结构的抗剪承载性能进行评价。基于试验数据总结了管片错台随剪轴比的“四阶段”变化规律：克服摩擦阶段（剪轴比小于0.4）、间隙闭合阶段（剪轴比为0.4~0.75）、抗剪强化阶段（剪轴比为0.75~2.76）、屈服破坏阶段（剪轴比大于2.76）。试验结果表明,剪切荷载作用下该断面形式的大断面类矩形盾构隧道接头抗剪切屈服剪轴比为2.76,具有较好的抗剪切承载性能。研究成果可以为类似类矩形盾构隧道工程提供理论支撑和技术参考。     

盾构隧道管片接头抗弯承载力计算模型研究

盾构隧道管片接头承载力的计算是管片设计和服役性能评估的重要部分和关键部分,针对形式相同而细部构造不同的管片接头,提出一套适用于其抗弯承载力计算的理论方法十分重要。鉴于此,文章基于接缝面的不连续特征将接缝面进行适当分区,建立盾构隧道管片接头抗弯承载力计算模型,并给出对应的求解算法。将理论模型的计算结果与接头足尺试验结果进行对比分析,验证理论模型的正确性,然后采用该计算模型对管片接头抗弯承载力进行分析与讨论。结果表明：管片接头抗弯承载力曲线具有明显的非线性特征,随着轴力的增大,接头极限弯矩呈先增大后减小的趋势。混凝土强度对于接头抗弯承载力的影响较为显著,而螺栓强度和螺栓直径对于接头抗弯承载力的影响程度受轴力控制,轴力较小时,上述两参数的增大对于接头抗弯承载力的提升效果明显,轴力较大时效果逐渐减弱,当轴力高于某一阈值后,螺栓对于接头抗弯承载力无影响。文章所提出的抗弯承载力计算模型与研究结果以期为盾构隧道结构设计、试验和性能评估提供重要参考。     

加筋边坡在坡顶荷载作用下的极限承载能力

采用大型室内试验的方法,研究了两个土工格栅加固的土坡和一个未加固边坡在坡顶荷载作用下的变形与破坏规律。本文重点介绍大型模型的实验设计、测试技术和研究方法。实验结果表明,土工格栅加固边坡的承载能力为相同条件下未加固边坡的1.6-2倍。     

空间圆钢管相贯节点极限承载力分析

以塔桅工程中空间圆钢管相贯节点为背景,应用有限元程序对其进行轴向拉、压极限状态的数值模拟.分析节点在荷载作用下局部应力分布、主管鞍点的荷载变形关系,对支管搭接的影响、应力集中系数和节点极限承载力进行探讨,提出在节点区局部采用钢管混凝土改善受力条件的可行性.     

灌浆圆钢管压陷极限承载力试验研究

通过9个灌浆圆钢管压陷承载力试验,考察了支杆与弦杆直径比、弦杆所受轴力的性质与大小等参数对灌浆圆钢管压陷承载力的影响。由试验得出:随着灌浆圆钢管支、弦杆直径比的增大或弦杆上轴向压力的施加,其压陷承载力也相应增大;对弦杆施加轴向拉力,灌浆圆钢管压陷承载力提高程度不明显,灌浆圆钢管压陷破坏属于延性破坏,具有良好的的强度储备。有限元数值模拟分析除考察了模型试验所考察的参数之外,还考察了弦杆尺寸、弦杆壁厚、水泥石强度、弦杆钢材强度等参数对灌浆圆钢管压陷承载力的影响,在模型试验和仿真试验的基础上,分析了灌浆圆钢管压陷机理,建立了灌浆圆钢管压陷极限承载力公式,为推广内置钢桁架混凝土组合梁提供了基础性素材。     

基于截面极限承载力曲线的衬砌厚度减薄研究

复合式衬砌结构的优化设计是隧道工程技术的重要研究课题之一。衬砌厚度过大、配筋过密,不仅造成经济浪费,还可能导致衬砌容易开裂。依托蒙华铁路隧道工程,通过现场试验和理论分析的方法,研究衬砌厚度减薄的可行性。首先,基于衬砌截面极限承载力曲线的概念,提出以抗弯安全系数评价衬砌安全性的方法。其次,根据现场试验得到的衬砌截面内力监测值,揭示了衬砌厚度减薄前、后,截面内力的变化特征,得到减薄衬砌厚度,衬砌截面的抗弯安全系数增大,抗弯安全性有所提高。最后,通过有限元数值计算,验证了现场监测得到的主要结果,即初期支护加强、衬砌减薄的复合式衬砌结构优化设计是可行的。研究结果表明,在隧道衬砌设计时,厚度设计过大会使其截面刚度过大,抗弯安全系数反而会减小,衬砌容易发生开裂破坏,适当减薄衬砌厚度,有利于保证其抗弯安全性。研究成果对复合式衬砌结构的设计具有一定的参考意义。     

盾构衬砌整环破坏机理研究

以某盾构衬砌整环原型试验作为研究对象,利用提出的接头和管片破坏指数对盾构衬砌环的破坏机理进行了研究,研究表明：①接头破坏指数和管片破坏指数以及开裂弯矩等指标可以对盾构衬砌的实际受力状态进行追踪,可以阐述、解释盾构衬砌环的破坏机理;②对于本文所依据的盾构原型试验而言,盾构衬砌环破坏历程是由接头开始开裂、管片开始开裂、首个管片塑性铰形成、接头开始屈服（接头开始丧失承载力）、多个管片塑性铰形成、整环承载力丧失等阶段构成;③多个塑性铰的形成是导致盾构环承载力丧失的直接原因,塑性铰开始位置、发展顺序取决于关键截面及其排序情况。     

岩基破坏模式的划分及其极限承载力的确定方法

以岩体结构控制论的观点为基础,将岩基破坏形态的研究作为突破口,综合考虑岩基承载力的诸多影响因素,划分了岩基可能破坏模式,并建议了各模式下极限承载力理论计算公式。     

钱江隧道管片拼装过程中的力学行为实测分析

钱江隧道是目前世界上最大直径的软土盾构法隧道工程之一。通过在典型地层深埋段埋设全断面的隧道试验环,对盾构拼装管片的全过程及拼装后管片结构的受力特征进行了现场实测。监测结果表明,管片结构内力在拼装过程中受到管片相对位置及相互接触关系的变化影响,经历了波动、微调整直至平衡状态的变化过程。多数管片在拼装阶段的实测内力小于正常使用阶段管片理论内力的30%,但高于拼装阶段管片内力的理论值,最高可达到拼装阶段理论值的10倍以上。管片拼装过程中的内力实测值经历了波动或跳跃后逐渐逼近拼装阶段的理论值。值得注意的是,实测值的变化曲线表明:个别管片局部内力出现突变,实测突变值达到正常使用阶段理论值的3倍以上。因此,尽管管片之间通过管片间接触条件及相对位置的调整使管片结构的内力较快调整至正常状态,但该过程中出现管片内力局部过大的情形对管片结构的耐久性和长期承载性能可能造成影响,在今后的设计和施工控制中应予以充分考虑。     

钢管树状柱的极限承载力分析

针对钢管树状结构在公共交通建筑中的广泛使用,选取几个典型的火车站树状柱结构形式,采用有限元软件ANSYS进行一、二阶弹塑性极限承载力的分析研究。通过有限元验证,分析树状结构极限承载力的变化,为工程设计提供指导。     

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。     

自平衡法测试桩基极限承载力

介绍了自平衡测桩法的工作原理,从荷载箱的放置、加载方式、测试结果处理等方面对自平衡测桩法的关键技术进行了详细阐释,并通过与传统测桩法的对比,得出了自平衡测桩法的优越性。     

管板连接轴心受压构件极限承载力试验研究

对5个管板连接构件进行了受压极限承载力试验研究和非线性有限元分析。试验表明,未补强的试件GPC-1,GPC-3和用钢板补强的试件GPC-4,GPC-5的破坏模式均为试件的整体失稳,用焊接空心球补强的试件GPC-2的破坏模式为钢管的局部屈曲。试验结果与有限元计算结果基本吻合。实际工程中应用管板连接构件作为受压构件时,必须加强构件弱轴的刚度,以避免整体失稳破坏,而采用焊接空心球补强是一种有效的方法。     

钻孔灌注桩承载力异常现象分析

列举了上海及周边地区 6个工程共计 19根钻孔灌注桩的静载试验情况 ,其中大部分桩的极限承载力出现异常现象。同一工程场地同一几何尺寸的桩 ,单桩极限承载力相差可达 10 0 %以上。分析表明 :施工机具、成孔时间、护壁清孔方式、桩身结构完整性、地下障碍物及重复加载方式均对单桩承载力有重要影响。如果施工工艺不合理 ,会导致单桩极限承载力偏低很多 ;超载预压后 ,粉土、砂土地基中的钻孔桩承载力会增加 ,在软粘土地基中则会减小 ;与旧基础相连 ,将使桩的承载力偏大不少。     

钢管混凝土构件极限承载力分析

将钢管混凝土构件看成是钢管和混凝土两种元件组成的构件，通过二者的相互作用关系讨论，导出了在αfy〈54MPa的情况下，能适用于普通混凝土与高强混凝土的钢管混凝土构件的极限承载力计算公式。通过试验分析，其计算值与实测值吻合较好，从而避免了将核心混凝土分成普通和高强混凝土计算的麻烦，为钢管混凝土构件的设计提供了方便。