沥青混凝土心墙堆石坝心墙拱效应研究

心墙拱效应是影响土石坝安全稳定运行的重要因素,心墙力学特性复杂且受众多因素的影响,复杂地形地质条件对心墙拱效应具有重要影响。首先对比了直心墙、斜心墙、下直上斜式心墙拱效应的差异,在此基础上选取岸坡坡度、河谷宽度、覆盖层厚度以表征坝体所处的地形地质条件。基于数值计算定量研究复杂地质条件对沥青混凝土心墙拱效应的影响规律。结果表明:心墙应力拱效应主要集中在心墙中部3/4坝高附近及靠近岸坡处;斜心墙应力拱效应相对较小,可以很好地改善心墙的整体受力状况;岸坡变陡,斜心墙整体的拱效应强度增加,应力传递的核心区域由心墙中部拓宽至心墙两岸坡;随着河谷宽度的增加,应力传递的重心逐渐由底部转移到心墙两岸及心墙中上部;斜心墙整体的应力拱效应并非随着河谷宽度的增加单调变化,当坝轴线长度与坝高比值增加到3~4时,河谷产生的河谷效应对斜心墙变形及拱效应的影响大幅下降;随着覆盖层厚度的增加,斜心墙底部的拱效应明显增强,底部的拱效应系数分布逐渐集中化、区域化,容易产生局部破坏。

波纹钢形状与拱效应对加固盖板涵承载力的影响

为了探索波纹钢形状对加固盖板涵承载力的影响及填充混凝土的拱效应形成机制,采用室内试验与数值分析相结合的研究方法,以一个室内模型试验结果为基准,建立了72个箱形、圆弧及其之间的过渡形状的波纹钢加固盖板涵的数值模型,探明了加固体系承载力随波纹钢形状参数的变化规律;基于合理拱轴的概念,探明了填充混凝土的拱效应形成机理,并采用5个数值模型进行了验证。结果表明:拱腋半径保持不变时,加固体系的承载力随着拱顶、侧墙半径的增加而减小;拱顶、侧墙半径不变时,加固体系的承载力随着拱腋半径的增加而增大;提升加固体系承载力最有效的方式是增加拱腋半径,其次是减小拱顶和侧墙半径;填充混凝土的拱效应与荷载类型有关,当波纹钢的形状能保持拱轴连续并且在素混凝土刚性角以内时,加固体系的承载力最高。在设计波纹钢加固盖板涵结构时,应根据实际工程需要综合考虑波纹钢形状与填充混凝土的拱效应,尽量避免紧贴原盖板涵的加固设计。

考虑拱效应的弧形咬合桩计算方法

咬合桩防渗止水性能优异,弧形结构抗压能力强、整体性好,把二者的优点结合将产生一种新型经济实用的支护体系。本文以结构力学为基础,将圆弧微拱咬合桩的拱效应与被动区土抗力等效为弹簧,提出了一种简化计算法。以跨岷江特大桥14#墩拱座基坑为背景,利用此方法计算桩的变形,并与监测数据、数值模拟以及规范法对比,探讨该方法的可行性和计算精度问题。结果表明:使用本方法所计算出的桩体水平位移与监测结果均表现出了悬臂桩变形趋势且桩顶位移相差较小,说明了该方法在弧形咬合桩设计计算中的有效性和实用性,可为相关工程提供设计依据。

考虑黏聚力及不完全拱效应的太沙基松动土压力

考虑滑移面上主应力旋转和埋深对侧向土压力系数的影响,基于摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)破坏准则推导黏聚力存在时滑移面上的侧向土压力系数,进而采用微分土条极限平衡方法推导滑移面上的竖向应力。在此基础上,假设小主应力轨迹为圆弧,进而推导不完全拱效应作用下滑移面间的竖向应力分布及平均竖向应力。结果表明:与传统太沙基(Terzaghi)松动土压力公式及其现有修正公式相比,本文推导的滑移面上的竖向应力受黏聚力和内摩擦角的影响更加显著,且滑移面上的主应力旋转会放大二者对滑移面上竖向应力的影响;黏聚力对滑移面间竖向应力及侧向土压力系数的横向分布具有相同的影响规律,即黏聚力越大,二者的非线性分布特征越显著;以小主应力轨迹为圆弧所得出的滑移面间竖向应力分布规律与杨明辉等的原位测试结果基本吻合,且活门上的平均竖向应力与Chevalier等的试验结果较为吻合。

胶结充填体拱效应作用下的水平矿柱回采安全厚度研究

通过建立三维胶结充填体拱应力模型,得到胶结充填体竖向荷载计算公式,并根据四边固支顶板模型和岩体极限抗拉强度准则,得到了水平矿柱回采安全厚度确定方法。在某铅锌矿612采场水平矿柱回采的运用实践表明,解析模型计算的胶结充填体竖向应力与数值模拟结果基本吻合,数值模拟中顶板未出现塑性区,验证了计算确定的保留顶板厚度满足安全生产需求;回采过程监测结果表明,监测点附近的最大累计位移低于极限位移,保留顶板趋于稳定,确定的水平矿柱回采安全厚度具有足够的可靠性。

考虑拱效应的隧道管棚力学模型与参数分析

为了更好地研究隧道管棚的实际受力状态,根据隧道施工工序和施工影响,将隧道管棚划分为二衬段、初支段、开挖段以及掌子面前方的扰动段和未扰动段等五段,考虑管棚注浆后形成整体管棚拱的拱效应,建立了五段式隧道管棚的Winkler弹性地基梁新模型,推导了五段式隧道管棚模型的挠度和内力计算公式,并与既有工程案例进行对比分析,同时对不同的开挖进尺、管棚直径和加固区弹性模量进行了分析。结果表明:新模型得到的管棚挠度最大值和挠度最大值对应的位置与现场监测结果更为接近,能够解决已有管棚模型因边界条件设置不合理而造成的管棚变形在扰动段的末端出现的上拱现象,更符合管棚实际的变形情况;改变开挖进尺对管棚的挠度影响更大,管棚钢管直径为108 mm和114 mm时,其管棚支护效果相差不大;当Ec(加固区弹性模量)>40.0 Eg(围岩弹性模量)时,开挖进尺和钢管直径对管棚的挠度和弯矩的影响不大,因此,提高加固区的弹性模量是减小管棚挠度和内力最有效的方法。

颗粒摩擦对散粒堆积体拱效应的影响

通过开展三维离散元数值模拟,研究了颗粒摩擦系数对散粒堆积体自然休止角、堆积体底部应力分布、堆积体内部接触力投影分布、强弱力链数量等宏细观特征的影响规律。研究表明:随颗粒摩擦系数的增大,自然休止角增大并逐步趋于一个饱和值,堆积体底部应力峰值位置则从堆积体底部中心逐渐往外迁移,堆积体底部中心接触力相对于底部峰值的减小程度逐步增加,应力凹陷现象与拱效应越明显;随着颗粒间摩擦系数增大,颗粒间接触力沿锥面方向投影的最大值方位(锥)角逐渐增大并趋于稳定,堆积体内部拱效应的优势发挥方位出现在偏离竖直轴15°~25°的方位。

心墙坡比对堆石坝心墙拱效应的影响分析

心墙堆石坝的心墙在拱效应作用下可能会产生内部水平裂缝,形成漏水通道。当堆石坝的心墙坡比变化时,心墙拱效应以及水力劈裂程度也会变化。利用邓肯E-v模型对某心墙堆石坝进行有限元计算,研究结论表明,心墙坡比由1∶0.25减小为1∶0.20时,心墙的拱效应有所增大,蓄水期心墙拱效应相比竣工期略有减小。

“拱效应”影响下圆形基坑支护结构变形规律研究

文中基于南京某圆形接收井基坑开挖全过程的监测数据,对基坑开挖过程中的周围土体深层水平位移等变形做了详细的分析,并将实测结果与理正软件对原支护方案的验算结果进行对比,得到“拱效应”对该圆形基坑的支护结构变形影响规律。结果表明,圆形基坑冠梁的“拱效应”会限制桩顶位移,使土体深层水平位移曲线呈现为下面小、中间大,上面收敛的“山丘”抛物线形式,且开挖深度的增加会导致“拱效应”的增强。“拱效应”对圆形支护结构的受力与变形有较大的影响,且对表面水平位移影响较大,存在“拱效应”的实测表面水平位移结果与不考虑“拱效应”的理正验算表面水平位移结果差距达60.84%。不考虑圆形基坑的“拱效应”会导致基坑支护方案存在较大的安全富余量。

基于实测资料的超高心墙堆石坝拱效应分析

基于某心墙堆石坝长序列实测监测数据,以土压力、心墙沉降、水压力、孔隙水压力等测值定量计算分析结果为依据,以拱效应系数、上游水压力与心墙竖向应力比值、心墙孔隙水压力与心墙竖向应力比值等指标作为分析评判标准,提供了一种基于实测资料的超高心墙堆石坝拱效应分析方法和算例,系统分析了该高心墙堆石坝拱效应程度、分布规律及心墙发生水力劈裂的可能性,并与该心墙堆石坝数值计算结果进行对比分析和验证。分析结果表明,基于实测资料的计算分析结果与数值计算分析结果具有一致性,该分析方法具有合理性和可行性,可为同类工程的设计、施工和运行提供借鉴和参考。

桩承式路堤土拱效应分析

基于单桩等效处理范围内堤身土体受力平衡,改进了传统的HEWLETT极限状态空间土拱效应分析方法,求得了桩体荷载分担比计算的解析表达式。研究了桩间距、桩帽大小和填料内摩擦角对桩体荷载分担比的影响。研究表明:土拱处于弹性状态时,改进方法计算出的桩体荷载分担比小于HEWLETT极限状态计算结果;土拱处于塑性状态时,改进方法计算结果与HEWLETT计算结果相同。设计桩承式路堤时,若填料内摩擦角较大,则应优先考虑增大桩帽宽度来提高桩体荷载分担比;若内摩擦角较小,则可适当减小桩距来提高桩体荷载分担比。大内摩擦角填料有助于提高桩体荷载分担比。给出了桩体荷载分担比计算图,便于工程应用。最后对一个工程实例作了分析。

瀑布沟大坝心墙拱效应分析

在总结前人提出的拱效应系数基础上,对拱效应系数的公式进行了改进,认为拱效应系数应该是实测土压力与上覆土压力和孔隙水压力之和的比值。结合瀑布沟大坝监测资料,用改进的拱效应系数计算公式对大坝心墙拱效应进行计算,并对心墙内拱效应进行动态分析。在施工期,施工工艺是影响大坝心墙拱效应系数的主要因素,填土在仪器埋设以上0～20 m时,拱效应系数较大,随着填土的增加拱效应系数减小,施工期坝体内应力分布在蓄水初期起决定性作用。在蓄水期,心墙上游侧拱效应系数与水位变化呈反相关联,拱效应系数比下游同高程和0+001 m处大;0+001 m处拱效应系数与水位变化呈正相关联,且此处拱效应系数最小;心墙下游处拱效应系数与水位变化呈正关联的关系,在心墙与基岩接触处拱效应系数大于100%。产生这种规律的原因主要有湿化、渗流、水力劈裂作用,三者共同影响,从而导致心墙内应力发生变化。

隧道开挖围岩土压力拱效应分析

采用弹塑性理论应力反馈算法,研发材料本构模型子程序,将土的应力路径本构模型嵌入大型有限元软件ABAQUS,通过对三轴压缩和三轴拉伸试验条件的数值模拟,验证了子程序的精度。利用二次开发后的ABAQUS对隧道开挖过程进行了三维有限元分析,从不均匀变形、应力重分配、应力路径和地表沉降规律四个方面研究了由重力引起的大主应力改变产生的土压力拱效应。研究结果表明:隧道开挖过程中,围岩土体中的应力路径变化非常复杂,并受几何位置和开挖进程影响;隧道埋深较浅时,土压力拱作用至地表,尚未完全发挥支撑作用,表现为隧道上方土体的整体沉陷变形;隧道埋深较深时,土压力拱的作用未影响至地表,充分发挥了支撑作用,表现为隧道上方土体的塌落变形;土压力拱的作用范围受隧道埋深影响不大,约为隧道半径的3倍。

钢筋混凝土框架梁拱效应的试验研究

利用专门的试验装置进行了24个钢筋混凝土框架梁试验,对梁中拱效应进行了系统研究,得到了不同加载速度下梁中轴力、支座约束弯矩和荷载与挠度关系曲线.试验证明拱效应可显著提高框架梁的极限承载力,试验值与按塑性铰理论计算值比值的平均值为1.94.影响框架梁中拱效应的主要因素是纵向钢筋配筋率、跨高比和支座约束刚度,其中配筋率的影响最显著.快速加载情况下框架梁中拱效应与静载条件下相同,随加载速率提高承载力增加.

圆形支护结构的拱效应等效支撑计算方法

从弹性力学中圆筒受均布荷载的解出发,把圆形支护结构作为弹性地基梁,把圆形支护结构的拱效应作为支护结构的等效支撑作用在弹性地基梁上,从而得出了一个计算圆形支护结构内力和位移的拱效应等效支撑方法。工程实例的计算表明,该方法是实用而有效的。

山区公路高填方涵洞的成拱效应及土压力计算理论研究

通过模型试验研究了不同边界条件下高填方涵洞涵顶土压力随填土高度变化的规律,以及高填方涵洞的成拱效应,测试结果表明,当涵顶填土达到一定高度以后,在涵洞上方将产生拱效应,但由于高填方涵洞上方路基填料是不同于岩石的散粒体,高填方涵洞上方的拱效应具有不稳定的特点,使上部填土压力在填土高度增加过程中仍能部分地传递到涵顶上,使涵顶上的土压力小于理论土压力并随填土高度成非线性规律变化。根据高填方涵洞的土压力变化规律及拱效应特点,提出了高填方涵洞的非线性土压力计算理论和方法,通过算例证明了非线性土压力理论是高填方涵洞较合理的土压力计算方法。

考虑拱效应深基坑支护结构土压力分析

针对基坑支护结构土压力的研究以数值模拟为主,而解析理论应用需要完善研究现状,提出一种用于计算基坑支护结构土压力的解析方法。根据填土中土拱效应的作用以及土拱成形的基本理论,结合极限平衡分析方法,应用摩尔圆理论确定了基坑端壁间稳定土拱的轨迹方程,并且得到基于土拱形状所围滑裂土体的体积,确定出基坑支护结构土压力的解析表达式,最后进行了算例分析,研究结果表明土体的物理属性决定了有效滑裂土体的边界。提出的解析方法是深基坑计算土压力的一种新的解析方法。

高填方路堤涵洞碎散体填土成拱效应离心模型

为了对高填方路堤涵洞上部碎散体填土压力性状进行较为直观合理的分析,通过离心模型试验,研究了不同边界条件下高填方涵洞垂直土压力随填土高度变化的规律以及涵洞周围填土位移场的变化情况。试验结果表明:由于受沟谷地形的影响,涵洞上部碎散体填土达到一定高度后将会产生具有不稳定性的成拱效应;平坦地形设涵,在上部碎散体填土达到一定高度且在涵中填土沉降量大于涵侧填土沉降量的情况下,土体中将产生成拱效应;由于高填方涵洞上方路基填料是不同于岩石的碎散体,所以高填方涵洞上方的拱效应具有不稳定的特点。

刚性桩加固软土路基竖向土拱效应的试验分析

刚性桩加固软土路基填土在自重作用下形成竖向土拱并通过土拱传递荷载,浅层荷载传递机制直接影响到桩土协调工作和加固效果,但目前对竖向土拱效应以及土拱的特性仍然缺乏深入研究。利用设置试验段进行现场试验,对采集到的路基孔隙水压力和桩土相对位移数据进行分析处理,从应力和变形两方面验证了刚性桩竖向土拱的存在性。试验数据分析反映,一定的荷载对应一定的土拱力学平衡结构;在现场试验条件下土拱形成后,荷载每增加约20kPa,土拱破坏一次,而后重新形成;粗骨料填土材料形成的土拱稳定性较好,加桩帽形式的土拱效应更为显著。