盾构隧道60°斜穿地裂缝的变形破坏机制试验研究

 从西安地铁盾构隧道工程背景和西安地裂缝地质环境出发,根据相似理论设计盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的物理模型试验。管片混凝土应变、纵向和环向螺栓应变、结构接触土压力和结构外围土压力、结构内部收敛位移、模型顶表面土体变形以及宏观变形破坏现象表明,盾构隧道管片衬砌结构60°斜穿地裂缝的变形破坏模式以剪切变形为主,局部有扭转和弯曲变形;结构破坏范围为上盘0.75D(D为管片环外径1.20 m),下盘0.50D;管片混凝土破坏主要发生在螺栓孔附近,地裂缝处纵向螺栓发生较强的剪切、扭转和拉伸变形破坏;管片衬砌结构变形破坏不对称,管片环向处于偏压状态;环缝拱顶错位量大于拱底和拱腰,拱顶最大错位量达30 mm(0.025D),模型难以适用地裂缝错动变形20 cm(0.166 7D),盾构管片衬砌结构不适用于地裂缝活动强烈的地质环境。     

受荷状态下盾构隧道管片锈蚀劣化破坏过程研究

为研究服役期盾构隧道衬砌结构性能衰退演变规律,从隧道结构长期处于水土荷载和周围离子侵蚀环境耦合作用下的特点出发,根据服役盾构管片压弯荷载受荷特征,采用弯矩、轴力导入的方式,等效地模拟盾构隧道管片的实际受力状态,结合围堰式的电化学加速锈蚀方式,研发了可实现压弯受荷状态下进行盾构管片加速锈蚀劣化的试验系统,重点分析不同工况下盾构隧道管片锈蚀劣化发生发展规律。主要结论有：未锈蚀管片裂缝形态主要以受拉横向裂纹为主;未加载锈蚀管片在锈蚀阶段仅产生顺筋锈胀裂纹,裂纹宽度体现出先增大后趋于稳定的特点,加载破坏阶段锈蚀区混凝土在锈胀裂纹和受拉裂纹共同作用下将出现混凝土局部剥离与错动现象;压弯受荷状态下,管片裂缝的扩展是钢筋锈蚀与外加荷载共同作用的效果,管片受拉裂纹与锈蚀裂纹体现出相伴发生发展的规律,管片承载能力存在较大降低。研究成果可为设计基准期内盾构隧道管片衬砌结构长期安全性能评价提供重要参考。     

通缝拼装盾构隧道结构极限承载力的足尺试验研究

针对轨道交通通缝拼装的盾构隧道结构的承载性能,进行结构的足尺静载试验。具体介绍试验方案和加载方案的设计,提供结构变形、管片裂缝、接缝变形和连接螺栓受力的发展情况以及破坏过程等试验结果;对结构的承载性能和破坏机理进行分析。足尺试验研究表明:试验结构的破坏由不同部位接缝混凝土先后受压破坏形成,属梁铰机制;管片接缝是隧道极限承载力的关键断面;周边卸载工况下结构的承载力安全系数比顶部超载工况小,对盾构隧道结构的承载更为不利。     

大角度斜交地裂缝带盾构隧道变形破坏机制的模型试验研究

地裂缝是西安市最典型的城市地质灾害,其活动对城市地铁建设具有严重威胁,盾构隧道能否应用于地裂缝场地一直是工程界关注的问题。为揭示地裂缝活动对地铁盾构隧道的影响机制,文章以在建西安地铁8号线大角度(θ=75°)穿越地裂缝带为工程背景,基于1∶12几何比尺的物理模型试验并结合数值模拟,对大角度斜交地裂缝带的盾构隧道结构的变形破坏规律进行研究。结果表明：地裂缝错动作用下,大角度穿越地裂缝带的盾构隧道上盘管片拱顶受压、拱底受拉,下盘管片拱顶受拉、拱底受压;盾构隧道纵向整体表现为弯曲 扭动变形,管片衬砌在地裂缝上盘以拱顶内凹变形为主,在下盘以牵引变形为主,地裂缝位置及其附近的管片表现出竖向错动、轴向拉张与挤压以及水平扭转的三向变形特征;当地裂缝位错量达到s=24cm时,盾构隧道出现破坏,其破坏模式以剪切破坏为主,局部存在偏压破坏,且破坏大部分首先出现在螺栓附近;基于盾构隧道的破坏模式和范围提出隧道大角度穿越地裂缝带时的应对措施建议,对于未来100年内地裂缝累积活动量超过s=24cm的场地,地铁建设不宜采用盾构法通过。     

盾构管片纵向接缝承载力原型加载实验

在地铁区间盾构隧道的衬砌环结构的设计中,管片间接头处往往是结构的薄弱部位。为验证纵向接缝的极限抗弯承载力,采用新型液压加载装置,针对国内地铁区间隧道常用的通缝拼装的管片纵向接缝进行了足尺加载试验。得到接头在压弯工况下的极限弯矩和极限变形,同时总结归纳了接头达到承载力极限状态的破坏现象,为纵向接缝力学性质的研究提供了一些参考。     

钢-PVA混杂纤维高性能混凝土隧道衬砌管片抗弯性能试验

为研究钢纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维、矿粉3种因素对混杂纤维高性能混凝土隧道衬砌管片受力性能的影响,针对不同体积分数的钢纤维(0.5%,1.0%,1.5%)、PVA纤维(0.1%,0.2%,0.3%)和不同掺量的矿粉(10%,20%,30%)设计了L₉(3³)的正交试验,并制作1块钢筋混凝土(RC)衬砌管片和9块钢-PVA混杂纤维高性能混凝土衬砌管片进行抗弯性能试验。研究结果表明：与RC衬砌管片相比,钢-PVA混杂纤维能显著提升衬砌管片开裂弯矩、裂缝宽度0.2 mm对应的弯矩、屈服弯矩、极限弯矩和控制裂缝开展的能力,其中钢纤维对管片极限弯矩提升最为显著,最大提升幅度达64.0%,其次是矿粉和PVA纤维;3种因素的最佳掺量组合为：1.5%钢纤维,0.3%PVA纤维和20%矿粉。对钢-PVA混杂纤维混凝土的选用原则和在衬砌管片的应用提供理论及试验依据。     

盾构管片接头刚度衰减系数(ACS)的影响

以盾构隧道衬砌三环原型加载破坏试验为基础,通过严格按照足尺试验尺寸、试验条件建立分析模型并消除环间作用的方法建立了单环加载破坏分析模型,着重就某局部管片接头转动刚度衰减对整环内力(弯矩)的影响进行分析,研究表明:(1)在盾构隧道管片整环破坏历程中,管片接头转动刚度的变化历程可通过转动刚度衰减系数这一特征变量进行追踪;(2)特定位置管片接头转动刚度衰减时,可导致其他位置管片弯矩发生增加或降低,且增减幅度并不一致;(3)在整环外加荷载增量保持不变的条件下,特定位置管片接头转动刚度的衰减(破坏)可导致管片环其它位置的弯矩迅速增加,从而引起或加速整环管片的破坏。     

波纹钢加固盾构隧道结构破坏机制的足尺试验研究

文章以在具有9 cm收敛变形的盾构隧道上进行波纹钢加固为背景,对超载工况下波纹钢加固盾构隧道结构的力学性能进行了足尺试验研究。具体介绍了试验方案设计,提供了结构变形、界面剪切、界面剥离、波纹钢应变的发展情况和破坏过程等试验结果,并对加固结构的受力特点和破坏机制进行了分析。试验结果表明：波纹钢是一种有效的盾构隧道加固方法。在试验工况下能够承担4.5 m的上覆土增量荷载。波纹钢加固结构的主要破坏原因为波纹钢-管片粘结界面的破坏。界面破坏可分为界面剪切与界面剥离两种类型,均主要发生在转动变形较大的隧道顶部、腰部纵缝附近。     

火灾对原型盾构管片接头防水性能损伤试验研究

通过盾构隧道衬砌管片原型火灾试验和接头防水橡胶条高温耐水压试验,研究了火灾高 温条件下管片接头温度传导以及温度场分布规律;火灾高温条件下管片接头变形规律;火灾高 温条件下盾构管片接头防水性能变化规律。从接头温度分布、变形特性以及防水性能等方面对 盾构隧道管片接头在火灾条件下的损伤研究中得到：（1）火灾发生30min左右是管片受火面混 凝土崩裂和径向裂缝集中发展时期,高温引起管片接头变形较大,火灾持续时间直接影响管片 接头防水性能变化;（2）火灾中,接头处三元乙丙橡胶比遇水膨胀橡胶耐高温性能要好;（3 ）火灾发生时,165℃是管片衬砌接头密封橡胶条是否具有防水性能的临界温度。     

纤维混凝土在盾构隧道衬砌管片中的应用研究

由于传统盾构隧道混凝土管片存在的问题,新型管片的研究成为盾构隧道技术研究的一个重要方向.纤维混凝土管片的研究和应用在国内实例较少,尚处于起步阶段.文章通过材料试验,研究了纤维混凝土的抗压性能和高温下的抗爆裂性能,为纤维混凝土管片的应用提供试验依据;通过对纤维混凝土盾构隧道管片的承载力和裂缝宽度的结构分析,得出一些结构设计方面的建议.文章探讨了纤维混凝土管片的应用可能及相关问题,对推动我国新型隧道管片研究和应用具有实际的意义.     

Experimental study of tunnel segmental joints subjected to elevated temperature

Segmental joints present a weak link in the tunnel lining both structurally (due to its low stiffness) and non-structurally (high risk of water leakage); therefore the behaviour of the lining joints has a significant effect on the performance of the shield TBM tunnel lining. Segmental joints are thus a particular concern when the tunnel lining is exposed to high temperature in the case of a tunnel fire. This paper presents an experimental study on the behaviour of TBM tunnel joints in fire under different mechanical loading and boundary conditions, and with both the normal reinforced concrete (RC) segments and hybrid fibre reinforced concrete (HFRC) segments. Totally thirteen jointed specimens were constructed at a scale of 1:3 and tested. Eleven specimens were exposed to a HC (Hydrocarbon) curve and mechanically loaded to failure either under-fire or post-fire, while two specimens were tested in ambient temperature to provide benchmark data. The results demonstrate that the initial loading conditions have a significant effect on the jointed segments during and after fire, and this is closely related to different rate of degradation of concrete in different stress state under high temperature. In general, the resistance capacity of both RC and HFRC joints increased with axial force. The use of HFRC material provided good spalling resistance.     

Experimental investigation of reinforced concrete and hybrid fibre reinforced concrete shield tunnel segments subjected to elevated temperature

This paper presents a comprehensive experimental study on the comparative behaviour of the reinforced concrete (RC) and the hybrid fibre reinforced concrete (HFRC) shield TBM (Tunnel Boring Machine) tunnel lining segments exposed to fire. The tests were conducted using a newly developed test facility, which is capable of accommodating different mechanical loading and boundary conditions under different fire scenarios. Six RC segments and six HFRC segments were tested to the standard Eurocode HC (Hydrocarbon) curve, while two reference specimens, one for each type, were tested in ambient environment to provide benchmark data. Apart from the spalling resistance, the fire effects on the structural behaviour were investigated under different boundary conditions at the segment ends, including free sliding (no horizontal constraint), total horizontal restraint and controlled horizontal reaction. The vertical load capacities were investigated for both under-fire and post-fire scenarios. The experimental results revealed excellent spalling resistance in the HFRC segments under thermo-mechanical loading, while the RC segments exhibited better structural performance. A combination of RC design (with flexural reinforcement) and the use of hybrid fibres is deemed to be effective in providing good spalling resistance while at the same time ensuring a robust structural behaviour.     

弯剪空心剪力墙试件承载力试验研究

通过对三个钢筋混凝土空心剪力墙弯剪试件的试验研究，探讨了空心剪力墙在受到水平力作用下，试件的破坏机理、变形特征及截面钢筋的应变情况。提出了截面承载力的计算方法，计算结果与试验结果符合较好。     

带填充墙RC框架结构协同工作性能有限元分析

分析了开通窗填充RC框架结构在水平荷载作用下填充墙高度对钢筋混凝土柱剪力、弯矩的影响,同时对不同墙高框架结构与纯钢筋混凝土框架结构在强度、刚度以及延性等方面进行了对比,结果表明：在相同水平荷载作用下随着填充墙高度的增加,钢筋混凝土框架柱的剪力增加,而弯矩减小。     

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。     

箱形型钢混凝土梁复合受扭性能试验

通过5根箱形型钢混凝土梁的复合受扭性能试验,详细描述了试件在不同扭弯比作用下的加载过程。试验表明,箱形型钢混凝土梁在复合受力情况下,出现扭转型或弯曲型两种破坏形态;扭弯比是影响弯、扭破坏形态的重要因素;适当的弯矩存在能显著提高型钢混凝土梁的抗扭强度。通过对试验数据分析得到的箱形型钢混凝土梁的弯扭相关方程,可为其设计提供参考和依据。     

基于简化修正压力场理论的钢筋混凝土柱荷载-变形分析

基于简化修正压力场理论对钢筋混凝土柱抗剪机理进行了分析,并考虑核心混凝土膨胀对箍筋抗剪承载力贡献的影响,计算了骨料咬合作用及受压区的抗剪承载力贡献,获得受拉区和受压区的抗剪强度,从而建立箍筋屈服后柱构件抗剪强度计算方法;结合传统截面纤维分析法,同时引入弯曲变形、剪切变形及滑移变形3种变形分量,在箍筋屈服前对柱构件进行抗弯分析,最终得出压弯剪作用下钢筋混凝土柱荷载-变形曲线,并与所收集的15个钢筋混凝土柱低周反复试验结果进行了对比。研究结果表明:采用该方法计算的荷载-变形曲线与试验骨架曲线吻合较好,对发生弯曲破坏、弯剪破坏及剪切破坏3种不同破坏类型的钢筋混凝土柱均有较好的分析效果,可用于压弯剪作用下钢筋混凝土柱的荷载-变形分析。     

深埋排水盾构隧道钢纤维混凝土高刚性接头受力特性试验研究

为解决深埋排水盾构隧道管片衬砌的受力和变形问题,需在管片结构中采用高刚性接头。高刚性接头构造复杂,在施工及承载过程中容易出现接头位置混凝土开裂及手孔局部破坏现象,进而影响接头的承载与防腐性能。对钢纤维混凝土(SFRC)和钢筋混凝土(RC)高刚性管片接头开展正弯矩试验,研究钢纤维对深埋排水盾构隧道高刚性接头受力性能的影响。研究结果表明：在高刚性接头中掺入适量钢纤维可有效提高接头的承载及抗裂能力。SFRC高刚性接头和RC高刚性接头的混凝土开裂荷载相同,但SFRC高刚性接头达到正常使用极限状态时的荷载抗力为RC高刚性接头的1.2倍。与RC高刚性接头相比,SFRC高刚性接头的承载力提高约15%;且接头破坏后,SFRC高刚性接头受压区与手孔附近混凝土裂缝的数量、宽度及分布范围相较于RC高刚性接头明显减小。     

拉压变轴力下小剪跨比预应力混凝土墙往复受剪试验研究

为了研究预应力混凝土（PC）剪力墙的抗震性能,提出剪力墙在拉压变轴力作用下的水平往复加载试验加载制度,完成3片剪跨比为1.0的预应力混凝土墙在恒定轴拉力、恒定轴压力和拉压变轴力作用下的水平往复加载试验,研究其破坏模式、滞回性能、承载力、变形能力、刚度和残余裂缝宽度,并与型钢混凝土（SRC）墙和普通RC墙的抗震性能进行了对比。试验结果表明：恒定轴拉力试验中,预应力混凝土墙发生了腹板剪切破坏;恒定轴力试验中墙体发生了斜压破坏;拉压变轴力试验中,墙体在压剪方向加载时发生剪压破坏。拉压变轴力加载导致预应力混凝土墙拉剪和压剪承载力分别降低了18.7%和10.5%。预应力混凝土墙在恒定轴拉力和拉压变轴力作用下的极限位移角为1.2%~1.6%,变形能力大于JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定的弹塑性位移角限值(1/100);恒定轴压力试验中水平峰值荷载超过了墙体截面受剪承载力限值,出现斜压破坏,极限位移角仅为0.6%。预应力混凝土墙试件与SRC墙试件的刚度、承载力和变形能力接近,前者的残余裂缝宽度小于后者的,表现出更好的震后可修复性。由于预应力有效抑制了墙体水平贯通裂缝的形成、防止出现沿水平裂面的滑移破坏,因此在较大轴拉力水平时预应力混凝土墙比普通RC墙的抗侧刚度和承载能力均显著提高。总体来看,预应力混凝土墙抗震性能优良,是一种改善高层建筑中受拉剪力墙抗震性能的有效手段。     

侵蚀环境与荷载耦合作用下钢筋混凝土梁斜截面承载力试验

通过室内模拟试验,研究混合侵蚀溶液、冻融循环与持续荷载耦合作用下,钢筋混凝土梁斜截面承载力和刚度退化、斜截面破坏形态等规律。试验结果表明,预加载比例对侵蚀和冻融环境下钢筋混凝土梁斜截面承载力影响明显,梁的刚度和延性退化程度与箍筋锈蚀和剪压区混凝土劣化有关。最后,给出混合侵蚀、冻融与持续荷载耦合作用下钢筋混凝土梁斜截面承载力计算方法。