隧道围岩-衬砌接触面剪切特性模拟研究

探究隧道围岩-衬砌接触面在不同法向应力及不同粗糙度条件下的剪切特性规律,对进一步研究隧道围岩与衬砌间的相互作用及岩体稳定性具有重要的理论和工程意义。为考虑粗糙度条件,利用分形理论,通过改变分形公式中的分形维数D及分形粗糙度G生成5种不同接触面,基于二维颗粒流程序(PFC^(2D)),建立接触面数值剪切模型,尺寸为150 mm×150 mm。开展同一接触面在不同法向应力下,数值模拟剪切试验及不同接触面在同一法向应力下的数值模拟试验;将数值剪切试验与室内剪切试验获得的剪切应力-剪切位移曲线进行对比,验证数值剪切模拟的可靠性。研究结果表明:(1)数值模型剪切破坏产生的裂隙主要集中于中间接触面处,破坏后的应力主要集中于接触面粗糙度最大处,破坏裂纹可分为剪切裂纹和张拉裂纹,其中张拉裂纹占主要优势;(2)剪切应力-剪切位移过程曲线存在爬坡、啃断、滑移三大阶段,具有明显的峰值强度和残余强度,法向位移随着剪切位移的增加而增大,产生剪胀效应;(3)随着法向应力增加,剪切和张拉裂纹数量增加,破坏现象越明显,峰值强度和残余强度增大,剪胀效应减小;(4)随着粗糙起伏度增大,即分形维数D的增大或者分形粗糙度G的减小,破坏裂纹数量增加,其中张拉裂纹增加较明显,峰值强度和残余强度增大,剪胀效应增大。

富水区衬砌-围岩接触关系对外水压力影响研究

结合某大型富水区深埋隧洞工程,基于ABAQUS采用有限元分析法,通过调整过渡层渗透系数模拟围岩与隧洞之间的接触紧密程度,计算衬砌结构的受力特性,并结合规范中的外水压力折减系数法,提出合适的衬砌-围岩折减系数.结果表明:在主要考虑外水压力情况下通过调整过渡层单元的渗透系数来模拟衬砌与围岩的接触关系是合适的,围岩与衬砌的接触关系对于衬砌结构的受力有显著影响;当过渡层渗透系数增大到某一范围时,对衬砌受力影响逐渐变得不再敏感,此时基本处在衬砌与围岩之间有渗水通道的状态.当渗水通道存在时,计算外水压力时可以取折减系数在0.870左右.

压力隧洞裂缝混凝土衬砌和围岩的接触条件

提出裂缝衬砌和围岩之间接触应力rσ(ra)的表达式,并通过算例分析它的特性,结果表明,rσ(ra)随衬砌与围岩接触面(r=ra)处的渗透压力pa的增大由压变拉,但rσ(ra)+pa却变化不大。提出一定条件下衬砌脱开围岩独立工作的判别式,该式若满足,衬砌将脱开围岩独立工作,钢筋应力和裂缝宽度将大幅度减小。算例计算结果表明,若衬砌和围岩之间的黏结强度较小,裂缝衬砌很容易脱开围岩独立工作。

不同围岩和埋深条件下土-结构接触界面对衬砌结构横向地震响应特性的影响分析

土与地下结构在强震作用下易发生错动滑移,会对地下结构的抗震性能产生较大影响。为确保隧道的长期安全性,运用有限元分析方法研究不同围岩和埋深条件下土-结构接触面对盾构隧道衬砌结构横向地震响应特性的影响。结果表明:1)随着土质条件的提高,无论土-结构接触界面有无考虑错动滑移情况,隧道衬砌结构的轴力极值均显著增大,而剪力和弯矩极值均显著减小,且由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度显著减小;随着隧道埋深的增加,由土-结构接触界面错动引起的隧道衬砌结构动内力变化幅度逐渐减小。2)考虑土-结构接触界面错动滑移时,随着土质条件的提高和隧道埋深的增加,隧道衬砌各部位水平滑移量均逐渐减小。3)当隧道围岩条件较差或埋深较浅时,隧道衬砌结构的横截面抗震设计应充分考虑土-结构接触界面对隧道抗震性能的影响。

乌东德电站导流洞直柱形堵头衬砌与围岩接触研究

大型水电站导流洞封堵永久堵头一般选择在围岩条件相对较好且与大坝防渗帷幕相交的洞段,堵头型式一般采用楔形结构。为了避免二次开挖,达到简化施工、加快进度的目的,乌东德水电站导流洞永久堵头采用直柱形结构型式。这要求准确查明堵头段衬砌混凝土、喷混凝土和围岩的接触情况。为此,选取具备研究条件的5号导流洞开展研究工作,采用钻孔取芯、彩电、声波测试、平面超声横波成像检测及室内试验等手段,查明了堵头段各接触面的接触状况。以测试及试验成果为基础,类比相似工程并结合地质条件,给出了堵头段各接触面的物理力学参数建议值,为堵头设计提供依据。这一研究方法及成果可为其他类似工程提供借鉴。

基于ANSYS Workbench的抽水蓄能电站调压室围岩与衬砌接触模拟研究

抽水蓄能电站调压室是一种边界条件和受力情况复杂的大型水电站建筑物,尤其是调压室衬砌与围岩的接触模拟更为复杂。本文运用三维有限元计算分析软件ANSYS Workbench对围岩与衬砌接触进行模拟计算,并结合实例对调压室内水工况和外水工况进行对比分析,提出相关结果符合工程实际,可为类似工程结构计算提供参考。

围岩-支护不同接触状态对隧道结构安全性影响分析

围岩与支护作用关系是隧道工程的核心内容,两者接触状态影响着隧道结构力学状态及服役性能。基于理论分析及数值计算方法,对围岩-支护切向作用关系、衬砌背后空洞等接触状态下隧道结构安全性进行了分析,并得出以下结论:围岩-支护间切向作用关系对衬砌内力分布规律及安全性影响显著,围岩-支护间摩擦系数越小,衬砌安全系数分布均匀性越好;衬砌背后空洞作为支护与围岩接触关系的一种极限状况,显著恶化了衬砌结构受力性能,在拱顶“外凸”效应和拱部应力集中作用下,衬砌在拱顶外侧及空洞左右边界内侧开裂;拱部背后空洞条件下衬砌结构最终沿拱顶内侧裂缝扩展至贯穿,裂缝扩展模式也由贯穿之前的张开型裂缝转变为复合型裂缝。研究结论可为隧道结构设计及衬砌病害治理提供参考。

破碎围岩条件下铁路隧道单层衬砌结构力学特征研究

研究目的:文章以合武铁路大别山隧道为背景,对Ⅳ级围岩条件下采用的单层衬砌结构的接触力学特征、不同施工阶段的受力特征以及围岩稳定性等进行研究,并对单层衬砌结构的力学特征进行探索,以期为类似工程的设计和施工提供参考。研究结论:(1)相对于复合式衬砌而言,单层衬砌接触压力普遍较大,最大压力易出现于拱脚处,最小压力易出现于仰拱处,而其二衬的内力显著小于复合衬砌。(2)单层衬砌结构内力在隧道施工的不同阶段,初期支护与二衬的内力先按时间分配,后按刚度分配。(3)隧道左右拱腰侧与拱脚处的围岩的YAI值较小,容易发生失稳,应加以防范。

考虑围岩–衬砌切向接触效应的穿越断层隧道结构纵向响应解析解

高烈度地震区断层的存在对工程结构产生严重影响,穿越断层隧道纵向响应有待深入研究。本文采用切向地基弹簧分析围岩–衬砌切向接触效应及隧道结构的轴向变形特征,建立断层错动作用下隧道纵向响应理论模型。首先,隧道被简化成有限长梁,采用切向地基弹簧和法向地基弹簧来体现围岩–衬砌的相互作用,在法向地基弹簧端部施加自由场位移来模拟断层错动,得到隧道结构纵向响应微分方程;通过格林函数法求解获得结构响应解析解;接着采用三维有限差分法对本文解析模型的有效性进行验证。结果表明:围岩–衬砌的切向接触效应对隧道结构的纵向响应存在显著影响,忽略导致得到的结构弯矩峰值误差达到35.33%。最后,探究断层宽度、断层弹性模量和衬砌混凝土等级对隧道纵向响应的影响;随着断层宽度增加,隧道结构内力减小;提高衬砌混凝土等级导致结构内力增大;断层区域围岩弹性模量的增加使得结构的弯矩、剪力减小,轴力增大。研究成果可为穿越断层隧道抗错断设计提供理论依据。

围岩支护作用关系中的温度影响因素研究

隧道围岩支护作用关系是隧道研究领域的关键问题之一,衬砌混凝土的温度变化会影响隧道围岩与支护的相互作用。当衬砌混凝土的温度升高或降低时,衬砌结构会膨胀或收缩,由于受到围岩的约束会产生围岩温度被动反力。文章通过建立简化的圆形隧道分析模型,得出了围岩温度被动反力随衬砌温度变化的计算公式,分析了影响围岩温度被动反力的因素,并采用既有隧道衬砌置换工程的现场监测数据进行了验证。研究结果表明:围岩温度被动反力是衬砌温度变化量、材料参数和几何参数以及围岩材料参数的函数,可以进行量化计算;在衬砌施作初期,由于水化热的影响,温度被动反力增长较快,峰值达到0.4 MPa左右。随着水化热的消散,温度被动反力逐渐减小。研究成果可为衬砌围岩松动压力现场监测提供一种温度修正方法。

黄土隧道衬砌背后空洞对隧道衬砌结构影响分析

衬砌裂损是隧道病害中常见的问题,也是严重威胁结构安全的一个重要因素。文章针对铁路运营隧道病害的检测结果,对衬砌背后空洞进行平面弹塑性计算分析,得出不同位置、不同大小的空洞以及空洞群对结构各截面受力及位移影响的系统认识,明确提出衬砌结构与围岩结合的不紧密性是恶化衬砌受力条件、造成围岩进一步松动、进而造成衬砌裂损的一个重要原因;还对直墙式及曲墙式衬砌所受到的不同影响进行了比较分析,认为曲墙式衬砌拱部结构能较好地将内力传递给边墙,由边墙部分承受较大的水平抗力,优化了整体结构的受力,从而降低背后空洞对衬砌结构的影响。通过对计算结果的系统分析和研究,合理解释了实际检测中的问题。

基于监控量测的公路隧道二次衬砌受力分担比例

依托垫江至邻水高速公路铜锣山及明月山隧道,对公路隧道二次衬砌受力分担比例进行研究。通过围岩压力实测值与普氏理论、太沙基理论和公路隧道设计规范深埋围岩压力公式计算值进行对比,结果表明:Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩压力计算值比较符合实测情况。通过对围岩压力、初期支护与二次衬砌的接触压力现场量测数据进行分析,得出Ⅲ级(深埋)、Ⅳ级(深埋)、Ⅴ级(深埋)和Ⅴ级(浅埋)围岩二次衬砌受力分担比例分别为29.20%、35.28%、41.38%及32.17%。研究成果对于公路隧道结构设计有着理论指导作用。

围岩与衬砌切向接触特性对围岩-支护体系协同承载作用的影响研究

围岩与衬砌之间合理的接触设置是准确模拟隧道开挖过程中围岩-支护体系协同承载作用的重要基础。为了分析切向接触特性对围岩-支护体系承载作用的影响,以齐家庄隧道工程为依托,利用Abaqus软件建立考虑衬砌与围岩切向接触特性的数值模型,模拟分析在不同切向接触刚度下,隧道结构在开挖过程中的位移及受力情况。结果表明:当切向刚度在其有效作用区间内变化会对隧道结构的位移及受力产生较大影响,切向刚度越大,衬砌承担的开挖载荷越大;切向刚度对衬砌的影响与衬砌部位、围岩等级和衬砌厚度有关;两个拱腰之间的收敛位移及拱顶应力受切向刚度影响最大;切向刚度的影响随着围岩等级的增加而降低,随衬砌厚度的增加而降低。

导流隧洞衬砌结构计算分析研究

导流隧洞广泛应用于工程建设中,钢筋混凝土衬砌支护是导流隧洞的主要支护方式。目前,中国国内大部分工程导流隧洞衬砌配筋方案值得商榷。文章对导流洞衬砌结构的受力特点进行了分析研究。研究表明只要采用先进的设计理念和有效的工程措施,就能减小衬砌厚度和钢筋用量。

基于FLAC3D的隧道单层衬砌结构力学特征研究

为了研究单层衬砌结构力学特征,采用了FLAC^3D有限差分软件,利用软件内置的接触面单元(interface单元)对不同结构层的层间接触效应进行了模拟.以巴哈高速公路东天山隧道2#斜井工程为工程背景,建立了不同衬砌结构型式下考虑层间接触效应的数值仿真模型,分析了现场Ⅳ级围岩条件下的单层衬砌结构力学特征及其围岩稳定性,并与原复合式衬砌支护设计方案进行了对比.研究结果表明:(1)FLAC3D模拟计算中采用接触面单元(interface单元)施加于不同结构层之间,可模拟衬砌结构不同层间接触形式的相互作用,较好地反映层间接触面的力学特征及位移特性;(2)对于受力性能而言,单层衬砌结构以组合梁承载模式进行承载,衬砌结构内力呈现"小弯矩、大轴力"的分布特征,衬砌结构截面应力以压应力为主,可充分发挥混凝土材料的受压性能;(3)由于单层衬砌结构具有良好的层间接触性能,不同结构层可实现"协同受力、共同变形",使其承载模式优于复合式衬砌,能以较小的结构厚度满足隧道支护要求,因此单层衬砌具有较高的经济性;(4)单层衬砌隧道拱腰、拱脚及边墙底部YAI值较小,围岩稳定性较差,易发生失稳,现场施工时应对上述部位加以防范.

“接触问题”引起的隧道病害分析

衬砌裂损是隧道病害中常见的问题,也是严重威胁结构安全的一个重要因素。除了温度变化、水害、衬砌本身的强度和厚度不足以及混凝土耐久性降低外,隧道围岩压力变化是衬砌产生裂损直至破坏的主要原因。文章针对铁路运营隧道病害的检测结果,对衬砌背后空洞进行平面弹塑性计算分析,得出不同位置、不同大小的空洞以及空洞群对结构各截面安全系数影响的系统认识,明确提出衬砌结构与围岩结合的不紧密性是恶化衬砌受力条件、造成围岩进一步松动、进而造成衬砌裂损的一个重要原因。文章还对直墙式及曲墙式衬砌所受到的不同影响进行了比较分析。认为曲墙式衬砌拱部结构能较好地将内力传递给边墙,由边墙部分承受较大的水平抗力,优化了整体结构的受力,从而降低背后空洞对衬砌结构的影响。通过对计算结果的系统分析和研究,合理解释了实际检测中的问题。

围岩-衬砌接触面剪切力学性质及破坏机制的试验研究

基于巴西劈裂试验和三维扫描、3D打印技术,制作了围岩-衬砌接触面模型,结合围岩、衬砌的混凝土模拟材料,制备围岩-衬砌接触试样,通过模拟围岩-衬砌接触试样的剪切试验,研究围岩-衬砌接触面的剪切力学性质和破坏机制,分析影响其力学性质的主要因素,探究了围岩-衬砌接触面的抗剪强度公式,研究结果表明:围岩-衬砌接触试样的剪切曲线呈现出延性和脆性2种破坏类型;法向应力、接触面粗糙度和两侧材料力学性质对围岩-衬砌接触面的剪切变形、强度和破坏形态均有影响,对比发现接触面两侧材料属性的影响大于接触面粗糙度;接触面的剪切力学性质和破坏形态不仅取决于各因素的大小,还取决于其组合作用;依据接触面的破坏特征,将黏着摩擦理论引入Barton经验公式,提出适用于围岩-衬砌接触试样的剪切强度公式,实现了强度特征与影响因素的结合,为地震作用下的围岩-衬砌相互作用研究提供了试验参考。

围岩–衬砌接触力学特性对地下工程地震动力响应的影响研究

鉴于鲜有关于围岩-衬砌接触面对地下工程动力响应影响的相关研究,基于数值计算方法,在与已有试验结果对比验证计算方法可靠性的基础上,通过建立是否考虑围岩-衬砌间接触关系两种不同形式的模型,研究地震作用下围岩-衬砌接触面对地下工程动力响应的影响规律,并深入分析接触面力学特性对地下工程中衬砌结构动力响应的影响规律。研究结果显示:围岩-衬砌间接触面对围岩位移响应具有显著的影响,尤其是两侧拱肩处的围岩,在地震作用下更容易破坏。在水平方向上,顶拱范围的围岩以受拉为主,其他大部分围岩则以受压为主,在垂直方向上,洞室两侧围岩以受拉为主,其他大部分则以受压为主;围岩-衬砌间的接触面会破坏围岩-衬砌体系的完整性及连续性,从而入射波在通过接触面后产生的反射及折射叠加后,加剧衬砌的位移响应程度,尤其是仰拱及两侧边墙范围内。衬砌的内力响应整体上有减小的趋势,但存在一定的区域效应,其中拱顶、拱底及两侧拱腰处的剪力均比未考虑围岩-衬砌间接触关系时大;围岩-衬砌间接触面的各个力学参数对洞室衬砌的动力响应的影响规律不尽相同。其中,接触面刚度对衬砌内力的响应程度的影响起主导作用,而接触面摩擦因数、黏聚力及抗拉强度的大小对衬砌轴力及弯矩的影响较小,并且黏聚力和抗拉强度对衬砌内轴力及弯矩响应程度的影响沿着洞室中心线呈"反对称"现象,衬砌内轴力及弯矩的响应程度与抗拉强度是非线性相关。研究结果体现了考虑围岩-衬砌间接触关系的必要性。

有压隧洞衬砌与围岩相互作用数值模拟分析

通过建立有限元计算模型，运用荷载分级、变刚度迭代非线性有限元法，系统研究了有压隧洞衬砌与围岩之间的相互作用．探讨了锚杆支护、衬砌与围岩之间接缝大小和接触角变化对衬砌、围岩承载能力的影响．根据建立的模型，对一隧洞工程进行了三维非线性有限元计算，获得了一些具有工程指导意义的结论．

大型引水隧洞TBM安装间有限元分析与研究

以大型引水隧洞TBM安装间所处Ⅱ类围岩为典型断面,通过施工仿真模拟,计算围岩初始地应力场,以及采取喷锚支护后安装间的应力和变形,分析对比隧洞支护前、后的围岩稳定性,明确应力、变形集中部位,从而优选隧洞支护及开挖方式,验证设计方案及其合理性。