浅埋大断面黄土隧道初期支护安全性分析

以大西客运专线忻州隧道三七微台阶法开挖为工程背景,采用FLAC^3D模拟分析施工过程中初期支护结构的受力特性,并与锚杆轴力和喷射混凝土应力的现场测试结果进行对比分析,最后结合型钢混凝土截面受力计算方法,评价型钢混凝土初期支护结构的安全性。研究结果表明:①型钢混凝土主要承受压应力,且沿隧道中线呈轴对称分布,最大压应力出现在拱腰位置,而拱脚处局部承受拉应力,为施工中的薄弱部位,喷射混凝土应力实测值相对计算值偏小,但分布规律与计算值吻合性较好;②隧道系统锚杆主要承受拉力作用,最大拉力在锚杆1 m位置,沿隧道轮廓从拱顶到拱脚递减,且计算值略大于实测值,两者分布规律一致;③型钢混凝土结构安全系数从隧道拱顶到拱脚依次递增,且同一部位轴力安全系数小于弯矩安全系数,轴力安全系数最小值为3.86,满足规范要求,可适当增大钢拱架支护间距或减小喷射混凝土强度。     

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。     

膨胀性黄土隧道钢拱架–格栅联合支护力学特性研究

为了研究膨胀性黄土隧道围岩与支护结构作用机制,解决膨胀力作用下的隧道支护难题,利用弹性薄壳理论建立了联合支护的力学分析模型,引入等效截面法和膨胀力参数得到了改进的围岩–支护特征曲线。基于上述模型和方法,对该黄土隧道初期支护的力学特性进行分析,提出适用于膨胀性黄土隧道的"格栅拱架+钢拱架+喷射混凝土"联合支护方式。结果表明:所建立的模型和方法对膨胀围岩条件下初期支护的力学特性分析具有较好的适用性,从理论角度解释该隧道原始初期支护发生破坏的原因;与"钢拱架+喷射混凝土"和"格栅+喷射混凝土"支护方式相比,提出的联合支护方式在膨胀性黄土隧道中更具优势,充分发挥了不同材料的承载特性,保证了隧道的稳定性。     

厦门太古机库网架160m预应力卧式受拉结构的成功应用

厦门太古飞机维修库基地系由单层机库大厅和三层附属楼组成,该工程由中国航天建筑设计研究院负责设计。机库大厅由斜放交叉网架和横跨大门的钢拱架组成,其跨度为154m,深度为70m,下弦高度27m,承受拱架水平力的部位为无粘结预应力混凝土结构。其预应力混凝土结构部分有关预应力技术,由中国建筑科学研究院陈惠玲负责,其他有关预应力结构以及钢拱架支座连接等,由陈惠玲和网架钢拱架安装承包公司以及土建工程施工单位与设计院丁芸孙总工程师共同研究商定。     

实腹圆弧钢拱的平面内稳定极限承载力设计理论及方法

拱的平面内稳定极限承载力设计一直没有成熟的规范指导。本文用有限壳单元模型先分析了工形截面两铰圆弧钢拱的平面内弹性屈曲性能,与拱的经典屈曲理论作了对比,指出了必须同时考虑长细比和矢跨比对屈曲荷载的影响。然后分析了两铰圆弧钢拱受静水压力和其它荷载作用下的弹塑性屈曲性能,指出了典型破坏机理为拱两侧1/4跨附近形成塑性铰导致结构失效。利用拱的弹性屈曲荷载定义了拱的正则化长细比,用Perry-Robertson公式的形式,建立了拱的稳定系数与正则化长细比的关系,提出了受静水压力的两铰圆弧钢拱的平面内稳定极限承载力设计方法,并用轴力和弯矩的两项相关公式提出了受其它荷载作用下的平面内稳定极限承载力设计方法。     

穿越页岩段大变形隧道初期支护系统试验研究

为解决马嘴隧道穿越破碎薄层状页岩段时发生的大变形问题,进行了隧道初期支护系统试验研究。现场分别设置Ⅰ14,Ⅰ16钢拱架试验段,通过现场试验、数值分析、室内岩石力学试验综合分析,得出以下结论:马嘴隧道掌子面上半部页岩岩层薄、岩体破碎,裂隙水大,页岩浸水强度减小是拱顶部位发生大变形的内因;格栅架不能满足掌子面开挖后混凝土达到预期强度前的支护要求,Ⅰ14钢拱架支护效果稍优于格栅架,但不能控制围岩的持续变形,Ⅰ16钢拱架立架能提供较大的支护阻力,控制混凝土喷层达到设计强度前的围岩变形,保护混凝土喷层不受破坏,保证支护系统的完整性。现场实证,Ⅰ16钢拱架+系统锚杆+喷射混凝土+钢筋网+超前注浆导管+锁脚锚杆的支护系统能很好地解决马嘴隧道的大变形问题。     

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。     

钢管混凝土圆拱的面内承载力分析

迄今为止,全世界已有400多座钢管混凝土拱桥。然而,有关钢管混凝土拱面内承载力的设计规范仍没有。目前,钢管混凝土拱的设计广泛采用钢筋混凝土及预应力混凝土拱的面内承载力设计方法。这样钢管混凝土拱可认为受轴压或偏压作用,相当于钢管混凝土柱。将钢管混凝土柱的经典屈曲荷载作为钢管混凝土拱的参考弹性屈曲荷载。然而,在横向荷载作用下,钢管混凝土拱的面内弹性屈曲性能与轴压下的钢管混凝土柱完全不同,尤其是对于薄壁钢管混凝土拱。另外,与轴压或偏压下钢管混凝土柱不同,钢管混凝土拱在屈曲之前就发生非线性弯曲和横向变形,这严重影响钢管混凝土拱的承载力。因此,钢管混凝土面内承载力的设计方法是否正确值得商榷。提出与现有钢结构设计规范基本一致的钢管混凝土圆拱承载力设计方法,并同时考虑了几何非线性和材料非线性的影响。提出均匀轴压下钢管混凝土拱的面内承载力设计方程,及弯矩和轴压共同作用下钢管混凝土拱面内承载力验算的下限设计方程。     

钢纤维喷射混凝土在隧洞加固处理中的应用

盘道岭隧洞全长15.723km,主要穿过第三系与白垩系疏松软岩地层,大部属V类围岩。断面形式为圆拱直墙带仰拱底板式,成洞净宽4.20m,净高4.40m。采用新奥法设计施工,支护衬砌结构为喷、锚、网、钢拱架及钢插板联合支护与模注混凝土(部分洞段为钢筋混凝土)衬砌的复合式。完成后部分洞段的拱墙及底板二次衬砌混凝土产生了一些纵斜向和环向裂缝,危及隧洞的长期安全,隧洞进口段与出口段的两险段处的破坏性结构纵向裂缝,需采取钢纤维喷射混凝土等措施进行加固处理。1加固措施对上述两险段在采取拱墙设置6m长预应力系统锚杆、拱部回填灌浆、裂缝化学…     

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。     

岩屋坪隧道软岩大变形施工技术探究

岩屋坪隧道为宣鹤高速公路第二特长隧道,长度约4.3km,是全线控制性工程之一。隧道从出口端开始掘进,距洞口100m位置,围岩属于软岩,初支施工完成后,喷射混凝土出现纵、环向裂缝,严重位置喷射混凝土大面积剥离、掉块,钢拱架扭曲变形。经过监控量测数据发现初支收敛及拱顶下沉数值均很大,现场立即采取增加临时护拱的措施,防止变形进一步扩大。根据监控量测结果确定初支稳定后,通过激光断面扫描仪对变形段落量测,发现部分段落初支侵限。初支侵限断面的处理方式为对初支侵限部位拱架单元逐榀凿除,逐榀更换,在拱架更换连接处设置长3.5m的φ42锁脚小导管。对换拱完成段落不得立即施工二次衬砌,防止后期围岩变形对二次衬砌造成破坏,换拱完成后需立即埋设监控观测点进行观测,待监控量测数据趋于稳定后,并采用断面仪检测,在初支未侵限的情况方可施工二次衬砌。针对此类软岩大变形围岩情况,通过监控量测数据科学分析,确定出适合岩屋坪隧道软岩大变形施工技术,指导本隧道后续施工。     

大断面软弱地层隧道施工围岩变形试验及预测

针对大断面碳化泥质板岩隧道在施工过程中极易发生塌方、拱架扭曲变形以及频繁换拱的特点,在小盘岭隧道进出口段选择多个监测断面作为试验段进行现场试验研究。分别对净空收敛变形、拱顶下沉、围岩压力、锚杆轴力、喷射混凝土应变、钢拱架支撑应力、二次衬砌混凝土应变、二次衬砌背部围岩压力进行测试。研究结果表明,隧道持续变形一般到48 d才能稳定,并且累计变形量很大,拱顶沉降最大能达到334 mm,累计收敛值最大能到318 mm。在控制围岩变形方面,对支护参数的监测发现:采取0.5 m的开挖步距,采取I20钢支撑,以及采取隧道衬砌背后的径向注浆,能有效的降低围岩变形及衬砌结构的受力。同时利用BP神经网络方法,能够比较准确的预测隧道围岩在施工过程中的拱顶沉降及围岩收敛,对隧道的开挖具有较大的指导作用。     

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。     

交通荷载下素混凝土桩复合地基受力与变形特性研究

素混凝土桩复合地基受到车辆循环反复荷载作用,其工作性能受到不可忽略的影响。以交通荷载作用下滨海吹填区素混凝土桩复合地基为研究对象,以数值模拟的方法,研究交通荷载作用下素混凝土桩复合地基受力特征、变形沉降特征。结果表明：(1)最外围和中间的素混凝土桩轴力随桩身深度增加而增加,20 m深度处达到最大,随后开始降低;两者中间的桩承受交通荷载比例较大,轴力最大位置在5 m深度,各桩中部所受轴力较大;(2)水平位移随桩身深度的增大而急剧减小,各桩在5 m深度的水平位移都接近0,交通荷载对桩水平位移的影响范围在5 m深度左右;(3)交通荷载对桩竖向位移的影响集中在中间位置,越靠近内侧的桩的竖向沉降越大。     

钢管混凝土拱架在巷道支护中的发展与现状

为厘清钢管混凝土拱架支护的发展脉络,全面掌握其应用及研究现状,首先对常规U型钢拱架支护现状及问题进行了分析和评述,明确了钢管混凝土拱架支护技术的产生和发展背景。在此基础上,分别从基本原理、现场实践、力学试验、数值模拟、理论计算等方面对发展现状进行了详细分析和阐述。最后,总结了钢管混凝土拱架支护目前的发展形势及显著优势、存在的理论和技术问题及下一步研究重点。主要结论显示：①以2000年为界,可将钢管混凝土拱架支护发展大致分为尝试性实践阶段和研究应用阶段,十余年来发展愈发迅速且获得了良好的支护效果及经济效益反馈;②开展了上百次拱架及构件力学试验,初步掌握了其宏观承载特性,但对承载失效机理的认识尚待深入,同时缺少统一的试验规范;③拱架承载力计算采用轴压极限承载判据,不能满足精度要求;④拱架-围岩相互作用等理论问题及部分关键技术难题,使钢管混凝土拱架支护体系设计理论尚不完善,目前设计施工仍以经验为主。     

高层磷石膏墙体网格式框架结构受力性能分析

高层磷石膏墙体网格式框架结构在水平荷载下,内力不以剪力为主,整体弯矩起主要控制作用。采用有限元软件PKPM,以层数为变化参数,研究水平及竖向荷载作用下整体弯矩对结构受力性能的影响。计算结果表明:整体弯曲对底层柱底倾覆弯矩影响较大,轴力基本呈线性关系增加,而对倾覆剪力的影响较小。其底部变形呈弯曲型,上部变形呈剪切型。边框架柱截面面积相等时,矩形框架柱承担轴力和剪力分别比L形大2%和15%;边框架柱截面惯性矩相等时,矩形框架柱承担轴力和剪力分别比L形大9%和18%。     

钢纤维喷射混凝土在隧道中的断裂力学设计方法

钢纤维混凝土开裂后，受拉侧仍能提供较大的拉力，因此比普通混凝土更适合用于大土压、大变形的圈岩条件。在我国规范中。用钢纤堆混凝土的轴拉强度作为开裂后钢纤维喷射混凝土所能承受的拉应力。但钢纤维混凝土的轴拉强度并不能反映钢纤堆混凝土构件在受弯过程中，中性轴上升、开裂区扩大，开裂区继续承受穹矩的特征，因此设计上偏于保守。本文介绍了日本规范中对钢圩维混凝土隧道衬砌设计的方法，该方法以断裂力学为基础，既考虑裂缝的存在，又孝虑钢纤雏传递拉应力的受力特点。本文还将谊方法与施工现场实验数据相姑合．确定出武隆隧道钢纤维喷射混凝土衬砌的理论厚度。计算结果表明，只用钢纤堆喷射混凝土作为隧道的初期支护能够满足强度要求。从而节省了设置钢拱架或钢筋网等工序。加快了施工进度。     

基坑支撑刚度计算方法辨析及其对支护桩内力的影响

分析了目前常见的两种计算基坑支撑刚度方法的差异、优缺点和适用范围。通过建模,用弹性支点法分别计算分析了单道支撑和两道支撑条件下,支撑刚度变化对支撑轴力及支护桩桩身内力的影响。计算结果表明:对于单层支撑系统,随着支撑刚度的增大,支护桩的最大弯矩和剪力稍有增加,而支撑轴力的增大幅度比较明显,且当支撑刚度增大到临界值后轴力趋于稳定;对于双层支撑系统,增加支撑刚度对支撑轴力起到增大的作用,但对支护桩内力的影响却各不相同。     

基于ABAQUS软件的斜桩式拱座工作性状研究

为研究大断面斜桩式拱座的工作特性,采用大型有限元软件ABAQUS建立3D弹塑性有限元模型,分析弹性模量、截面形式及地质条件对拱座基础的受力影响。分析表明:基础混凝土材料弹性模量增大,其轴力、弯矩、桩顶最大拉应力相应增大,但桩顶轴向和径向位移减小;不同截面形式对桩身应力分布、桩顶位移影响较大;不同地质条件下拱座基础应力和轴力相差不大,桩身弯矩变化较大,位移变化较小。研究结果可为类似桥梁拱座基础设计提供参考依据。     

基坑开挖对超深软土复合地基桩体的影响研究

复合地基中素混凝土桩是一种易脆性折断的桩体。为研究场地真空预压及基坑开挖作用下超软超深软土区域桩体的受力特征,本文采用数值计算分析了真空预压及基坑开挖作用下素混凝土桩的轴力、弯矩和剪力变化规律。结果表明：越靠近基坑开挖侧,桩体位移越大,近基坑侧桩身上部至下部轴力逐渐减小,而弯矩主要分布在群桩的两侧并随开挖的进行逐渐增大;轴力和弯矩最大值出现在桩身1/3处,分别达到了85kN和13.5kN·m/m,剪力最大值处在开挖面标高位置为5.5kN/m,桩体的承载能力验算表明受拉侧会出现断裂。最后基于超软超深软土区域素混凝土桩的成桩特点,提出了防止桩体断裂的施工措施。