高填方深覆土明洞衬砌裂损原因探究

为探究高填方区深覆土明洞隧道裂缝、错台、扭转等病害产生原因,依托重庆下穿江北机场明洞隧道工程开展研究。通过数值模拟对基底承载力、边墙回填土抗力、隧道纵向和横向基底承载力差异等进行考察,揭示该明洞隧道衬砌典型病害的机理。结果表明:(1)隧道衬砌拱部和仰拱纵向裂缝主要是由于基底弹性抗力不足引起的明洞整体沉降过大和部分边墙回填不密实所致;(2)基底承载力减小,不仅会导致整体沉降增加,还会加剧隧道上方回填加载的影响;(3)隧道衬砌错台以及变形缝挤压、拉伸、剥落掉块等现象,主要由于基底承载力纵向不均匀致纵向不均匀沉降造成;(4)基底横向承载力不均匀使得明洞衬砌产生扭转变形。

高填黄土明洞卸载结构土压力模型试验和数值模拟分析

通过模型试验,研究了高填黄土明洞不同卸载结构的土压力、土体位移随填土高度的变化规律。试验结果表明,边坡的摩擦上提作用、低压实土产生的土拱效应以及土工格栅变形后的＂提兜＂作用均能够引起明洞洞顶土压力的减小,其中,低压实土＋土工格栅卸载结构卸载率最大;卸载结构不同,明洞顶平面土压力分布规律不同,SY0和SY1在1倍明洞宽度范围内的土压力近似为梯形分布,大于1倍明洞宽度的土压力基本保持不变,近似为均匀分布,SY2~SY5明洞中轴线到0.75倍明洞宽度处,土压力基本保持一致,大于0.75倍明洞宽度的土压力呈先增大后减小的趋势。随后对试验过程进行了数值模拟分析,两者结果较为吻合。最后探讨了土拱效应形成机理,从而为高填明洞土压力卸载技术的进一步研究提供科学依据。

高填明洞土压力计算方法及其影响因素研究

基于岩土力学原理,考虑边坡坡角、沟槽宽度等因素,建立高填明洞的土压力计算模型,推导明洞洞顶土压力的计算公式;通过数值模拟结果和现场实测结果验证了该计算方法的正确性。依据此计算方法,进一步对影响土压力集中系数的边坡坡角、填料性质、明洞高宽比、明洞与沟槽宽度比等参数的敏感性进行分析。结果表明:等沉面高度随填土高度的增大而减小,随边坡坡角的增大而先增大后减小,随明洞高宽比、明洞与沟槽宽度比增大而增大;明洞洞顶土压力集中系数随填土高度的增加呈先增大后减小的趋势;边坡坡角增大有利于降低明洞洞顶的土压力;明洞高宽比、明洞与沟槽宽度比的增大会引起严重的明洞洞顶土压力集中现象;因此,实际工程中应在保证边坡稳定及结构安全的前提下,尽量提高边坡的坡角,减小填土沟槽的宽度,降低明洞高宽比。

考虑基础刚度的新型高填方双层衬砌式明洞的动态力学特性

为解决高填方明洞整体式衬砌过厚导致的水化热裂缝问题,在渝利铁路重庆丰都高填方明洞工程中首次采用双层衬砌设计,通过现场实测及数值模拟2种方法分析该新型结构的动态力学特性。结果表明:在回填土达到明洞顶部前,即仅有侧向荷载时,明洞结构的内力增量很小,在回填高度超过明洞顶部后,明洞的内力则随回填高度的增加而线性增长;双层衬砌明洞的外衬和内衬的轴力之比接近二者的厚度之比,而二者的弯矩之比则无类似规律,二者的相互作用方式与组合梁类似;采用混凝土坝基础时一定程度上增大明洞的荷载,其上明洞的轴力和弯矩分别为软岩基础上明洞的1.2~1.6倍和1.6~2.4倍;明洞拉应力集中现象主要出现在边墙位置。建议对混凝土坝基础上的明洞采取减载和优化边墙结构措施。

考虑二期荷载的高填明洞加筋减载土压力计算

随着城市建设的迅速发展,既有高填明洞填土顶面将不可避免地出现新增结构物等二期荷载的情况。为了明确明洞回填完成后新增二期荷载对其顶部垂直土压力的影响,在已有明洞减载结构土压力计算公式的基础上,利用土体沉降弹性理论计算公式建立了土工格栅变形与土体沉降变形的关系,并考虑二期荷载作用,进一步完善了高填明洞减载前后的洞顶垂直土压力计算公式。建立数值分析模型,将数值分析结果与文中公式计算结果进行了对比。结果表明:公式计算与数值分析结果较为接近,表现出相同的规律性;有无减载措施对明洞回填土压力影响较大,填土越高,减载越显著,实际作用在明洞顶土压力越小。新增二期荷载作用下的明洞顶垂直土压力计算,应考虑其对土体沉降变形的影响,而非简单叠加。

高填方黄土明洞顶EPS板和土工格栅共同减载计算及土拱效应分析

基于土压力减载机理,推导高填方黄土明洞顶铺设EPS板和土工格栅共同减载的明洞顶土压力计算公式。利用ANSYS软件模拟不同弹性模量EPS板和土工格栅共同减载时高填方黄土明洞顶的土压力,采用荷载等效方法将数值模拟的"波浪形"分布的土压力转化为均布荷载,将其与公式计算结果进行对比。结果表明:明洞顶土压力均随内外土柱沉降差的增大而减小,公式计算结果与数值模拟结果最大相对误差为3.59%,验证了计算公式的正确性。取EPS板的弹性模量为0.5 MPa,数值模拟明洞顶土体的竖向位移、最小主应力和竖向应力。结果表明:EPS板变形导致明洞顶最小主应力方向发生旋转,指向外土柱,在0.83倍洞高处出现明显的"应力拱";"应力拱"下部竖向、横向土压力均减小;内外土柱沉降差越大,"应力拱"横向应力越大,承担上部荷载越大,土拱效应越明显。

采用泡沫轻质土对高填明洞二次回填的结构受力特性研究

以西部某地区铁路高填明洞二次回填实际工程为依托,采用泡沫轻质土作为回填材料,按等质量置换原则进行二次回填,通过数值模拟确定合理泡沫土回填范围和开挖置换深度,结果表明:利用轻质泡沫土对既有高填明洞顶部按照等质量置换原则在一定范围和开挖置换深度下进行二次回填,其结构位移、应力、安全系数均能满足要求。开挖回填轻质泡沫土范围越大,下挖置换深度越小,竖向位移值越小。泡沫土回填范围角度0°、30°且下挖置换深度较大时,拱顶和墙脚位移超过允许值,此时会影响隧道结构的安全性。各种情况组合计算下,泡沫土回填范围角度45°,下挖置换深度4 m时,衬砌仰拱拉应力达到最小值,墙脚和仰拱安全系数达到最大值。综合考虑结构受力安全性、合理性及工程经济性,确定泡沫土合理回填范围角度为45°,合理下挖置换深度为4 m,现场实际以此进行开挖回填,实测拱顶沉降、结构上浮、水平位移均未超过容许位移值,且由于土拱效应小于计算值。

沟槽式高填拱形明洞力学特性及其影响因素分析

针对高填土荷载作用下沟槽式拱形明洞结构受力研究较少问题,文章首先通过室内模型试验研究了沟槽式高填黄土拱形明洞受力特性,得到了明洞周围土压力分布形式以及拱圈外侧应力随填土高度的变化规律。结果显示,明洞顶曲线段土压力呈"中间大、两边小"分布特征。当填土较低(<1.2倍洞径高度)时,明洞竖向等效均布荷载大于规范值。而当填土较高(≥1.2倍洞径高度)时,明洞竖向等效均布荷载小于规范值。随着填土高度的增加,明洞两侧水平土压力由"正梯形"分布向"矩形"分布转变。明洞底土压力呈"均布荷载"分布。随着填土高度的增加,拱肩截面外侧应力变化较小,而拱顶、侧墙及拱底截面外侧应力显著增加;然后对试验过程进行数值模拟分析。结果显示,明洞周围土压力平均相对误差为11.3%,外侧应力平均相对误差为14.5%,可验证试验数据的正确性及计算参数的合理性;最后进一步探讨了填土高度、沟槽边坡坡角、填料性质和沟槽与明洞宽度比等参数的敏感性对明洞衬砌结构内力的影响。结果表明,沟槽边坡坡角、沟槽与明洞宽度比影响最大,实际工程中应尽量提高边坡坡角,降低沟槽与明洞宽度比,以期改善明洞结构受力。

沟谷山区城市超厚填土铁路明洞设计

研究目的:在城市铁路建设中,受地方规划、城市建设因素的控制,越来越多地出现厚填土重荷载铁路明洞,尤其在山区城市,明洞还可能修建在高路基填方之上。这类明洞较一般明洞受力更为复杂,设计需考虑的因素也更多,以重庆至利川铁路丰都造地明洞为工程原型,分别从荷载组合、明洞结构选型、衬砌受力分析、内外衬关键工序、基础处理形式、回填工程稳定性及回填施工工艺等关键设计技术进行研究论证。研究结论:(1)明洞结构采用双层衬砌的设计方法,外衬承担填土荷载,内衬作为后期荷载的补强结构;(2)有限元结构分析表明,内衬需在外衬、Ⅰ期填土完成后施作,明洞、混凝土基础及地基的受力安全、结构稳定性和回填工程的局部及整体稳定性可满足要求;(3)为防止回填土对明洞的偏压推力,明洞底板应设置竖向抗剪桩;(4)回填施工工艺是保证坝与明洞稳定的关键,混凝土坝施工应控制浇筑温度,降低水化热;(5)该研究成果对明挖法施工的城市铁路、公路、地铁隧道,特别涉及厚填土、重荷载、深基础的明洞结构具有重要的参考价值和借鉴意义。

高速铁路高填方双层衬砌明洞施工工序

重庆丰都高填方明洞首次将双层衬砌形式引入明洞设计中,结构由内外2层衬砌组成,施工过程主要由施作外衬、施作内衬、回填3部分组成,后两者的施工时机可灵活调整,使得工程有多种施工工序可选用。本文对不同施工工序下双层衬砌明洞的内力及安全性进行分析。结果表明:只有回填土高度超过拱顶后,内衬的施作时机才能对结构内力及安全性产生明显影响。对比各类施工工序的优缺点,提出了工期最短、内衬安全储备最高、回填过程中安全性最高3种方案,可供今后类似工程参考。

填方高度对明洞衬砌运营安全的影响研究

为解决高填方明洞衬砌开裂后运营安全性问题,以广通—大理铁路云驿高填方明洞工程为依托,采用理论分析与工程实践相结合的方法,对高填方明洞开裂后原填土高度和清方减载方案衬砌安全性进行计算分析。通过对裂缝进行观测,D1K122+730—D1K123+020段隧道拱顶中心线两侧2.5m范围内,裂缝呈线性分布;采取清方减载后,裂缝最大宽度仅发展0.01mm,其余位置裂缝宽度和深度均没有继续发展。通过数值模拟计算,在原设计填方高度15m的回填土石压力及结构自重作用下,明洞衬砌最小安全系数为3.66;明洞上方回填土石高度降低至5m后,明洞衬砌最小安全系数为10.93,衬砌所受荷载减小。结合现场观测和数值计算,发现二者得到的裂缝发展规律一致,对明洞衬砌上方填土进行清方减载有利于结构安全。

EPS板减载对宽坦式高填黄土明洞衬砌结构内力和厚度的影响分析

为改善宽坦式高填黄土明洞衬砌结构内力,减少衬砌厚度,采用数值模拟方法,研究有无EPS板减载时高填黄土明洞不同位置处衬砌结构内力和厚度随回填土高度的变化规律。结果表明:无EPS板减载时,明洞衬砌结构内力随回填土高度的增加呈线性增长,拱顶至拱肩衬砌厚度呈非线性增长,其余位置呈线性增长;有EPS板减载时,明洞衬砌结构内力和厚度随回填土高度变化规律均与荷载作用下EPS板的应力—应变曲线有关,当EPS板处于塑性阶段时,内力与厚度变化率最大,减载效果最佳,当EPS板进入硬化阶段后,减载效果开始逐渐减弱;明洞的宽高比越大,衬砌结构内力和厚度越大,内力减载量也越大,减载效果越明显。建议针对不同回填土高度、宽高比的宽坦式高填黄土明洞,进行EPS板密度和厚度的优化设计。

沟槽式高填黄土明洞洞顶垂直土压力统一计算方法

针对明洞洞顶垂直土压力计算公式的不足,综合考虑大、小边坡坡角,推导沟槽式高填黄土明洞洞顶垂直土压力统一计算公式。采用荷载等效方法,将数值计算的明洞顶土压力的抛物线型分布荷载转化为均布荷载,与统一公式计算得到的均布荷载进行对比,验证统一计算方法的正确性。取20°的小坡角沟槽,利用统一计算方法研究填料性质、明洞与沟槽宽度比等参数的敏感性对土压力的影响。结果表明:小坡角沟槽情况下,填土内摩擦角、黏聚力以及沟槽与明洞宽度比对明洞洞顶土压力基本无影响;填土模量增大可以减小土体压缩相对变形量,减轻明洞洞顶应力集中现象。因此,在实际小坡角沟槽明洞工程中,应尽量提高土体压实度,减小明洞结构受力。

高填方明洞荷载初探

随着城市建设的发展,高填方明洞工程不断出现。当前高填方明洞的荷载计算仍按传统的全土柱理论计算,未考虑填土高度增加后明洞荷载的形成过程的变化,存在明洞荷载计算偏大的问题。文中提出高填方明洞荷载计算应考虑土体挟持作用的影响,推导出高填方明洞荷载计算方法,并对不同填土高度条件下考虑土体挟持作用理论与全土柱理论计算结果进行对比分析,而后探讨了填筑质量对明洞荷载的影响。在渝利铁路丰都造地高填方明洞工程中,运用考虑土体挟持作用计算方法进行明洞荷载计算,优化了明洞荷载。目前,该工程已成功实施,取得了良好的社会经济效益。

大跨超厚回填土明洞衬砌结构选型及设计优化研究

随着城市建设的发展,高速铁路等基础设施与市政规划结合建设越来越多,出现了超厚回填土明挖隧道的案例。文章探讨了大跨铁路明洞衬砌结构在超厚回填土荷载下结构选型及设计优化,对不同断面型式明洞结构受力特征、经济性、功能性、施工难易等开展研究,大跨超厚回填土明洞衬砌结构推荐采用高跨比较优的拱形仰拱结构型式,该型式明洞衬砌受力及空间利用合理、施工简便。同时为解决明洞衬砌大体积混凝土结构水化热和温度裂缝难题,通过不同层厚组合的双层衬砌浇筑温度场、温度应力场及超厚填土荷载下结构受力分析,推荐采用外衬厚度大于内衬的双层混凝土衬砌结构断面型式,以减少大体积混凝土水化热对衬砌结构的影响。

沟槽式深覆土减载明洞衬砌结构受力特性及截面设计研究

为了改善沟槽式高填黄土明洞衬砌结构内力,减小明洞衬砌厚度,文章通过数值模拟方法,从EPS板材料的力学性能和减载机制分析入手,研究了减载前后明洞各位置结构内力和结构衬砌厚度变化规律,以及边坡坡角对减载前后明洞结构内力和截面衬砌厚度的影响规律。结果表明,高填黄土明洞结构内力和结构衬砌厚度均随回填土高度的增加而增加;减载明洞结构内力和结构衬砌厚度减小效果均与EPS板厚度和EPS板材料的应力-应变曲线有关,在EPS板处于塑性阶段末期,减载效果最佳,并给出了该密度下EPS板减载的优化设计;边坡角度越大,减载前后明洞结构内力越小;除拱顶外,明洞衬砌截面厚度均有减小趋势;而减载后的洞顶衬砌厚度减小效果最明显,其余截面厚度减小量均呈加速减小趋势。文章最后建议对不同填土高度、不同边坡坡角的沟槽式高填明洞进行不同EPS板密度和厚度的优化设计。

高填黄土矩形、拱形明洞减载结构土压力差异性规律研究

高填明洞会使结构受力增加,影响结构安全。文章通过模型试验、数值模拟手段,考虑EPS减载、结构截面形式及其基础刚度,研究了明洞洞顶土压力、土体位移随填土高度的变化规律。结果表明,高填明洞减载结构洞顶土压力随填土高度的变化呈非线性变化,拱形截面减载效果优于矩形截面,柔性基础明洞减载效果优于刚性基础;矩形截面从洞顶中心点到两侧的土压力呈现先增大后减小、最后趋于稳定的趋势,在明洞两侧边界处出现最大值,EPS减载和柔性基础会使最大峰值与洞顶中心点数值的差距减小;拱形截面明洞洞顶同一平面竖向土压力呈现先减小、最后趋于稳定的趋势,最大值出现在明洞洞顶中心点。矩形截面明洞洞顶同一平面土体沉降曲线由减载前的"双V"型变化为减载后的"U"型。随后,对试验过程进行数值模拟分析,两者计算结果平均误差为11.0%,验证了试验数据的正确性及计算参数的合理性。最后,从填土横向应力上探讨了不同截面、基础刚度的明洞减载结构土拱效应的差异。

高填方双层衬砌式明洞土压力和结构内力特性研究

采用现场测试和数值分析方法对高填方双层衬砌明洞的土压力和结构内力进行研究,分析明洞上方和两侧土体的沉降差分布,结果表明:明洞垂直土压力系数在回填过程中先增大再减小最后趋于稳定,明洞上方与两侧土体沉降差使其土压力值高于土体自重;在相同的填方高度下,基础刚度对明洞荷载有较大影响,混凝土大坝基础明洞的土压力系数可达基岩基础明洞的1.5倍以上,内外侧土柱沉降差前者达到后者的6倍。在回填土达到拱顶前,衬砌结构内力变化缓慢,回填土达到拱顶后结构内力线性增大,且混凝土大坝基础明洞轴力值达到基岩基础明洞的1.2～1.6倍,弯矩值则为1.6～2.4倍;此外,外层和内层衬砌的轴力比与二者的厚度比基本一致,轴力分配与组合梁类似。

不同减载措施下高填黄土拱形明洞结构受力研究

高填明洞比常规明洞承受的荷载大、结构更加复杂,减载后的土压力变化是否有利于明洞结构受力尚不明确。文章通过室内模型试验,研究了两种减载措施下沟槽式高填黄土拱形明洞受力特性,得到了明洞周围土压力和外侧应力随填土高度的变化规律及减载效果。试验结果表明,EPS板、EPS板+土工格栅减载可将明洞拱圈上方土压力转移至明洞两侧,使拱顶、拱底土压力减小,两侧土压力增加;明洞外侧各截面应力均减小,铺设减载材料对截面不同位置的外侧应力影响程度依次为拱腰>侧墙>拱顶>拱肩>拱底。采用有限元平面应变模型,对试验过程进行数值模拟分析。结果显示,明洞周围土压力、外侧应力与试验结果平均相对误差分别为11.7%和14.6%;随着填土高度的增加,明洞内力减载量增加,且其变化率增大。因此,实际沟槽式明洞减载工程中,在保证明洞衬砌结构安全情况下,应合理选择减载材料及基础刚度。

超高填方明洞采用双层衬砌型式的可行性研究

高填方明洞衬砌厚度常超过2 m,工后受水化放热影响易产生收缩裂缝并影响结构安全,故提出采用双层衬砌设计形式来降低水化热影响。以重庆丰都高填方明洞为研究背景,采用数值模拟方法研究了双层衬砌明洞的水化热及安全性,并探讨外衬与内衬厚度比例对结构的影响,结果表明:(1)双层衬砌结构可明显减少水化热释放,在各种层厚比下,衬砌工后内部温度最高降幅达到38%,温度应力极值的降幅可达53%;(2)相比整体式衬砌,双层衬砌设计基本不影响结构安全性;(3)双层衬砌的层厚比对结构的安全性影响极小,最大影响程度仅有2%;(4)推荐采用1∶1的外衬内衬厚度比,可在不影响安全性的前提下最大程度降低水化热影响。