基于数值评价的隧道衬砌裂缝成因分析与维修设计

地下工程衬砌裂缝是隧道工程常见病害之一。由于衬砌裂缝对隧道结构体受力、防排水等安全方面产生不良影响,有必要对裂缝成因加以分析并采取有效措施来降低裂缝对隧道的影响。以四川省某铁路隧道为研究对象,现场调查衬砌裂缝情况,分析隧道边墙纵向开裂原因。采用应力解除法对该隧道进行地应力测试,测点处围岩初始应力处于极高应力状态,分析得出高地应力作用是导致衬砌开裂主要原因。为检验这一推断,采用扩展有限元(XFEM)对该段衬砌结构性能进行数值模拟,根据XFEM得到破坏区域衬砌结构破坏演化、二衬安全系数,模拟结果与实际衬砌损伤形式一致。最后,针对隧道衬砌结构开裂提出一种具体的维修方案,根据数值计算结果及现场施作情况,验证所提维修方法的有效性及安全性。     

采用等效平面桁架单元对钢筋混凝土结构进行非线性分析

本文根据钢筋混凝土结构构件力学性能,运用有限元的基本思想,将钢筋混凝土微元体等效成平面桁架单元对钢筋混凝土结构进行非线性分析。理论分析和计算结果表明,用此模型对钢筋混凝土结构构件平面应力问题进行分析是可行的,它能满足工程精度要求,而且在加载过程中可以很容易追踪裂缝开展顺序、裂缝位置和开裂程度,同时使计算模型简单化。     

钢筋混凝土早期约束变形性能分析

约束变形引起的现浇混凝土结构早期开裂是工程中存在的普遍现象,这种混凝土未成熟期裂缝影响结构的正常使用、耐久性甚至安全性。从材料、结构和施工环境三方面的影响因素出发,对混凝土早期变形裂缝进行综合分析,着重利用裂缝计算的粘结滑移理论,建立轴向配筋构件在约束变形下的开裂机制模型和裂缝参数计算,并对荷载作用和变形作用下裂缝发展以及力学性能的主要特点及差异进行分析比较。     

考虑衬砌接头的土-盾构隧道有限元模型初探

本文作者详细推导了由梁单元和衬砌接头单元组成的混合单元的刚度矩阵,形成了考虑衬砌拉头的土－盾构隧道有限元模型。利用有限元法计算了考虑衬砌接头和不考虑衬砌接头两种情况下衬砌的内力和衬砌的变形。由计算可知,衬砌接头对衬砌的轴力和位移影响相对较小,但对衬砌的弯矩影响较大,因此在盾构隧道的抗震设计中必须考虑衬砌接头的影响,否则将使设计趋于保守。     

基于FDEM的隧道衬砌裂缝开裂过程数值分析

采用杂交有限元–离散元法(FDEM),与日本等比尺浅埋隧道衬砌试验结果进行了对比分析。数值模型较好地再现了试验中衬砌结构性裂缝的初裂、增扩直至破坏的全过程。其次,建立荷载结构模型,针对影响衬砌开裂的3个主要荷载因素,即局部偏压、背后空洞和拱顶松弛地压,分别研究了这些压力不同作用位置、作用范围、作用大小下的裂缝扩展过程、分布规律。为用非连续方法研究衬砌裂缝开裂过程提供了借鉴,同时也为隧道衬砌裂缝病害的防治与加固修复打下了基础。     

体外预应力节段预制试验梁力学性能数值分析

提出一种有限元模型,用于体外预应力节段预制试验梁力学性能数值分析。该有限元模型用ANSYS通用分析软件中的SOLID65单元建立试验梁的3D实体模型,以接触单元模拟节段之间的干接缝,用节点耦合法实现体外预应力束与混凝土梁之间的连接。考虑混凝土材料非线性和几何非线性,通过数值模拟分析揭示试验梁的结构行为、混凝土接缝处的应力变化规律和裂缝张开情况。该有限元模型研究了预应力配束形式、体外预应力二次效应和转向处滑移对试验梁弯曲力学性能的影响。数值分析揭示了在荷载300kN以前,节段接缝处于受压状态;在300kN以后,裂缝张开是影响试验梁力学性能的主要因素。研究结果可用于预制节段桥梁的设计。     

运营期隧道带裂缝二衬承载力评价

为研究运营期隧道二衬开裂后对于衬砌结构承载力和安全性能的影响,基于隧道裂缝调查结果,结合二次衬砌质量检测结果,建立带裂缝衬砌计算模型,分析带裂缝隧道衬砌结构的实际承载能力及裂缝对二次衬砌结构安全性的影响程度。     

圆形压力隧洞限裂配筋设计方法研究

为研究圆形压力隧洞衬砌合理的限裂设计方法,采用钢筋混凝土有限单元法对隧洞衬砌的受力特性进行分析,指出隧洞衬砌具有内力值随衬砌开裂区域增加而减小、配筋取决于裂缝宽度的限制要求而非承载力、规范中的裂缝宽度计算公式不适用等特性。通过对厚壁圆筒承载力计算公式的重新推导,指出该方法没有引入裂缝处环向钢筋应变最大值与环向钢筋在整个圆周内平均应变的比值ψ’,使得钢筋面积计算值过小。鉴于隧洞衬砌的受力特性及没有合适的ψ’计算方法,建议取消厚壁圆筒公式,而采用钢筋混凝土有限单元法进行隧洞衬砌的配筋计算。对能由有限元计算直接求得裂缝宽度的衬砌,以裂缝宽度限值要求确定钢筋用量与布置;对不能由有限元计算直接求得裂缝宽度的衬砌,以限制钢筋应力来控制裂缝宽度,即以钢筋应力限值要求确定钢筋用量与布置。最后,通过较多的算例给出隧洞衬砌的钢筋应力限值,当保护层厚度为50mm时钢筋应力限值可取120MPa,当保护层厚度为100mm时钢筋应力限值可取100MPa。     

盾构隧道衬砌结构裂缝演化规律及其简化模拟方法

裂缝是盾构隧道衬砌结构的主要病害之一,裂缝的存在严重地影响着衬砌结构的服役性能。为了研究盾构隧道衬砌结构裂缝的演化机制,结合衬砌管片的偏心加载试验,采用多尺度模型模拟了偏心加载过程中衬砌管片裂缝的演化,并对试验和多尺度模型得到的裂缝演化过程进行了对比分析。分析表明:随着加载,裂缝经历了从无到Ⅰ型裂缝的扩展,Ⅰ型裂缝主要沿着径向扩展,最后到Y型裂缝出现;开裂后的混凝土表现为环向径向横观各向同性,衬砌管片力学性能随着裂缝的演化逐渐退化,其退化主要是在环向方向,并且与裂缝特征及其空间位置有关。以此为基础,通过ABAQUS子程序USDFLD来实现衬砌管片环向力学参数随裂缝深度及其空间位置的变化,并将计算结果与多尺度模拟结果进行对比,结果表明提出的简化模拟方法能够简便准确地考虑裂缝演化对衬砌结构力学性能的影响。     

砖墙有限元模拟分析

采用ANSYS软件中的接触单元模拟砂浆作用,将块体和砂浆分不同单元考虑,建立墙体的离散型模型,对砖墙进行有限元计算分析。通过与前期实验情况进行比较,研究其受力、变形及应力分布等情况,对砌体结构有限元分析进行了有意义的探讨。研究表明,用接触单元模拟砂浆作用是有效的。     

修正D—P模型在软土路基沉降计算中的应用

采用二维有限单元法计算软土路基沉降,可以考虑路基侧向变形对沉降的影响,还可以模拟施工加荷过程,通过工程实例的具体分析,表明该有限单元法计算精度较高,是一种较为完善的方法,具有一定的理论意义和实用价值。     

Nonlinear 3D numerical computations for the square membrane versus experimental data

This paper presents a discussion on the three-dimensional (3D) mechanical model proposed by Shi et al. for the membrane deformation by comparing the experimental results, and the limitation of this model to predict the behaviors of the membrane structure with large deformations (i.e. geometric nonlinearity). Three nonlinear numerical models, all of which can avoid the limitation, are then established to simulate the membrane’s large deformations, including the membrane model with zero bending stiffness and the shell model with small but nonzero bending stiffness based on the latest Edge-based Smoothed Finite Element Method (ES-FEM) as well as the standard Finite Element Method (FEM). The effects of geometric nonlinearity on the numerical results are carefully checked by comparing the benchmark experimental results, and the effects of different models/methods on the numerical results are also quantitatively examined. Factors, e.g. pressure fluctuations in the experiment and boundary conditions in the numerical models, are discussed to illustrate the differences between the numerical and experimental results, so as to provide some further suggestions on the improvements of the corresponding numerical models.     

陶瓷材料在滑动接触中的裂纹扩展模拟

对刚性柱面和SIC陶瓷材料平面产生滑动接触进行了有限元数值分析,以有限元软件ABAQUS作为分析平台,以扩展有限元方法(XFEM)和最大主应力判定准则对整个滑动接触过程中裂纹扩展的行为进行了模拟,得出了裂纹尖端单元的最大主应力及裂纹扩展路径和裂纹张开角,为生产实际过程中的无损探伤提供理论的测量视角。     

板式构件加固衬砌裂缝的模型试验研究

为了得到板式构件对隧道衬砌裂缝的加固效果,采用模型试验方法,对带裂缝衬砌加固前后的力学特性进行研究。通过对衬砌加固前后位移、接触应力、结构内力和破坏形态的考察,得研究成果：隧道产生裂缝后,发生位移早且位移量增大、承载能力降低,并将衬砌的破坏由墙脚压溃转变为裂缝处拉裂|通过板式构件加固后,产生变形较晚且位移量减小38.5%,板式构件有效的改善整个结构的受力状态并阻止裂缝的发展,显著提高了整体结构的抵抗变形能力和承载能力|既有衬砌承担的轴力占合力的73.9%,其仍然是加固后组合结构的承载主体|若采用合适的板式构件进行加固,其承载力完全可以恢复到甚至超过完好衬砌的水平。     

A numerical simulation of the temperature cracking propagation process when pouring mass concrete

Mass concrete temperature cracking is an important problem for concrete foundation safety in civil engineering projects; this issue extends from the construction process of a concrete foundation to the operation period. This paper introduces a simulation method for the mass concrete temperature cracking propagation process using the Finite Element Method (FEM). To illustrate the concrete heat conduction problem, an example is simulated with FEM to study concrete surface cracks caused by temperature changes during the entire process of pouring concrete, and the example is discussed to demonstrate how the concrete cracking process results from temperature decreases. The results show that the finite element method can effectively simulate the development of concrete block cracks under temperature stress. The calculation results attribute the crack distribution law of mass concrete blocks to the uniform temperature drop on the basis of strong constraints.     

软弱围岩隧道施工三维有限元分析

对软弱围岩隧道施工中的力学性态进行了计算机模拟与分析.以杭新景高速公 路白炭坞隧道为实体建模,采用有限元程序对其施工全过程进行三维弹塑性分析;重点分析不同的施工方法和支护方式对控制围岩变形的作用.计算结果表明:隧道的支护方式对减少由开挖引起的扰动起着重要作用,掌子面距离支护段距离越短,引起的沉降越小;对于软弱围岩,采用台阶法开挖时,台阶的长度不宜过长,一般应在0.5倍的洞径左右.     

公路隧道衬砌裂缝对结构受力分布影响规律研究

近些年我国高速公路隧道规模迅猛增长,与此同时也出现了较多的隧道病害和缺陷,其中二衬衬砌裂缝及渗漏水问题非常突出,大量运营隧道都出现了类似问题。本文结合依托工程,对隧道不同位置出现衬砌裂缝情况下的结构受力分布规律进行了分析与研究,探讨了裂缝对衬砌结构安全性的影响,得出结论如下：(1) 素混凝土隧道衬砌贯通型裂缝,隧道结构成为多铰环形结构,结构在断裂处轴向承载能力变化不大,但不能继续承受弯矩|(2) 通过计算分析发现,结构在某处断裂而不能继续承受弯矩时,其整个受力分布规律会发生改变,在其它局部会产生较大的弯矩,从而诱发新的开裂|(3) 裂缝的存在对隧道周边岩体的受力和变形存在着很大的影响,裂缝的存在改变了既有隧道力学分布规律。在隧道运营过程中,当发现存在裂缝时,必须加强监测并严控裂缝的发展。     

城市过街地道施工阶段数值模拟分析

采用有限单元法对暗挖平顶直墙结构的过街地道进行施工阶段分析,按照设计施工步骤对分部开挖后的地层沉降及衬砌内力进行分析,并着重探讨施工过程的衬砌结构力学体系转换,并对此类工程进行风险源分析及提出了对应的工程措施。分析结果表明,超浅埋过街地道需通过地层加固措施控制地表沉降以及保证上部既有管线安全;过街地道的开挖能够保证下部地铁隧道的安全;拆除临时支护使得边墙轴力增大约2~3倍,衬砌弯矩增大约4~5倍;开挖进尺以0.5~1.0 m,左右导坑间距以6~8 m为宜。     

深埋长大隧道交叉段衬砌裂缝成因分析与处治

通过对某高速公路深埋隧道主、横洞交叉段开洞侧主洞衬砌裂缝的现场检测及性状分析，研究对比了可能引起衬砌开裂的各种因素，得出了开裂的主要原因，认为隧道交叉段地层工程地质情况复杂，构造应力在应力场构成中占有很大比例，水平应力要比竖向应力大，且在横洞开挖后。主洞开洞侧截面承载能力一定程度上有所削弱，衬砌受力不均匀，出现应力集中现象，从而导致混凝土开裂；基于现场地质参数及裂缝成因初步分析，利用有限元分析软件对衬砌开裂段的应力场及位移场进行了模拟，模拟结果验证了现场成因分析所得结论的正确性；基于现场裂缝实际情况，提出了详细的裂缝处治措施，可为今后解决类似隧道衬砌开裂问题提供参考。