圆形抗滑桩-拱形挡土板支挡性能与参数分析

为规避当前施工方法的不足,发展安全、高效和可靠的施工方法。依托东北地区某高速铁路路堑边坡工程,采用适于机械钻孔的圆形抗滑桩代替现行矩形抗滑桩,预制拱形挡土板,本文提出一种新型拱形板-桩墙支挡体系;并构建有限元模型,分析桩长、桩径、桩间距以及拱形挡土板矢跨比对新型拱形板-桩墙支挡体系支护性能的影响;揭示不同参数下桩顶水平位移与桩身内力的变化规律。研究结果表明:桩长与桩身弯矩和剪力大小呈正相关关系,与桩顶水平位移呈负相关关系。桩长超过14 m时,其对桩顶水平位移、桩身弯矩和剪力的影响效应明显减弱;随着桩间距增大,桩顶水平位移增大但变化幅度逐渐减小。拱形挡土板矢跨比增大时,桩顶水平位移、桩身弯矩和剪力均减小。影响拱形板-桩墙体系支挡性能的因素依次为桩间距、桩长、桩径和矢跨比。研究结果为圆形抗滑桩-拱形挡土板支挡体系在实际工程中的应用提供新思路。

非圆弧拱面内自由振动实用解析

针对非圆弧拱面内线性自由振动没有解析的现状,提出了一种变系数平衡微分方程近似解析方法来解决该问题。基于笛卡尔直角坐标系下非圆弧拱线性应变与Hamilton原理,推演了非圆弧拱面内自由振动变系数平衡微分方程;基于陡拱与浅拱面内振型没有显著差异的基本假定,将该变系数平衡微分方程对应的常系数平衡微分方程的通解,代入变系数平衡微分方程,得到该变系数平衡微分方程的不平衡差;当该不平衡差沿全拱积分为零时自振频率误差最小,进而得到非圆弧拱面内自振频率高精度实用解析。基于所提出的变系数平衡微分方程近似解析方法,推演了非圆弧两铰拱与无铰拱面内自振频率实用解析,并阐明了非圆弧拱与同参数直梁面内自振频率的逻辑关系。抛物线、悬索线、悬链线与组合线等常用非圆弧两铰拱与无铰拱自由振动算例结果表明:该研究的基本假定得到了严格检验;自振频率与有限元结果吻合较好,非圆弧拱前十阶自振频率中,两铰拱自振频率最大相对误差为7.71%,无铰拱自振频率最大相对误差为4.34%;非圆弧拱与同参数直梁面内自振频率的比例系数,可为行业规范条文修订提供参考。

离散侧向平移支撑圆弧拱的自由振动分析

拱通常采用离散侧向平移支撑增加其面外稳定性,而离散侧向平移支撑会产生振型耦合效应,显著影响拱的振动特性。为研究等间距离散侧向平移支撑对两铰圆弧拱自由振动的影响,通过假定拱的耦合振型,基于Hamilton原理求解离散侧向平移支撑圆弧拱的自振频率,并与有限元数值结果比较。同时,还探究了拱的面外长细比、圆心角以及侧向支撑的数量和位置对拱的临界刚度及最大基频的影响。研究结果表明:假定的耦合振型可以描述复杂的离散侧向平移支撑拱的弯扭振型,并能准确预测拱的自振频率和支撑临界刚度。侧向平移支撑拱的基频随支撑刚度的增加呈现多种增长模式,根据振型变化情况将其划分为第1类、过渡和第2类增长模式,不同增长模式之间的转换取决于拱的面外长细比、拱的圆心角、支撑数量以及支撑位置。当拱的面外长细比和拱的圆心角的组合靠近第1类增长模式和其他增长模式的分界线时,拱的支撑临界刚度和最大基频显著增大。支撑位置靠近两端翼缘时可能会改变拱的基频振型,但支撑位置在剪切中心附近时,拱的基频最大。拱基频在第1类增长模式时,支撑数量的增加显著提高拱的最大基频,在过渡增长模式时,支撑数量的增加对最大基频的影响减弱,而在第2类增长模式下,拱的最大基频随支撑数量的增加基本不发生变化。

山西东风煤矿平顶U型巷道支护应用分析

平顶U型巷道支护方案是针对软煤层(直壁)半圆拱巷道的优化支护技术。基于摩尔-库伦准则,可以确定半圆拱巷道与平顶U型巷道围岩的围岩塑性比例关系,即两种不同巷道围岩边缘位移分布规律相似,塑性面积占比近似相等。利用数值模拟方法,分析半圆拱巷道和平顶U型巷道中U型钢支架在围岩相互作用下的承载特性,认定U型钢支架可以满足上述两种巷道围岩支护的要求。通过在东风煤矿3204工作面回采巷道的应用以及对围岩位移的现场测量,验证了理论分析和数值模拟的准确性。

In-Plane Elastic Stability of Arches under a Radial Concentrated Load

This paper is concerned with the in-plane elastic stability of arches subjected to a radial concentrated load. The equilibrium equation for pin-ended circular arches is established by using energy method, and it is proved that the axial force is nearly a constant along the circumference of the circular arches. Based on force method, the equation for the primary eigen function is derived and solved, and the approximate analytical solution of critical instability load is obtained. Numerical examples are given and discussed.

含裂纹圆拱的模态参数分析

基于圆拱振动微分方程,引入基于断裂力学的线弹簧模型,分析了含单裂纹圆拱的面内自由振动特性。基于摄动理论,揭示了不同裂纹位置和裂纹深度下结构的模态变化规律;同时结合有限元模型,对比了拱结构内、外侧裂纹对结构模态参数的不同影响;利用损伤拱试验数据,检验了建立的含裂纹拱力学计算模型的适用性与可靠性。结果表明:在拱结构中,各阶模态对裂纹损伤的依赖性不同,当损伤靠近某阶振型峰值点或固定端时,该阶模态固有频率下降显著;同阶模态中拱外侧裂纹在振型峰值较大处对损伤敏感,而内侧裂纹在振型峰值较小处敏感。

竖向基础激励下圆弧拱动内力分析

文中以竖向基础激励下两端固接圆弧拱为研究对象,运用能量法与哈密顿原理推导了圆弧拱的运动方程,分析了圆弧拱动轴力与动弯矩随圆心角和长细比的变化规律,并用有限元软件建立了数值分析模型,验证了理论解析解的正确性。结果表明,大长细比圆弧拱的动轴力随着圆心角的增加先逐渐增加,然后逐渐减小;对于小长细比的圆弧拱,其无量纲动轴力随着圆心角的增加而增加。大长细比圆弧拱的无量纲动弯矩随圆心角的增加而增加,并在较小的圆心角处达到一个峰值,然后随着圆心角的增加,无量纲动弯矩先减小后增加;对于小长细比的圆弧拱,其无量纲动弯矩随着圆心角的增加而逐渐增加。

圆形深基坑环撑刚度计算分析及应用

通过圆形基坑实例,推导单个环形支撑的水平刚度系数,提出了圆环支撑刚度系数的简易计算公式,利用其解析解作为支护结构单元计算刚度输入的初始数据,并通过启明星BSC计算软件及迈达斯GTS-NX三维有限元软件计算出的位移和内力及基坑开挖后实测的位移和内力对环撑水平刚度进行反推,并与解析解对比。结果表明:解析解计算出的环撑水平刚度系数较反推计算结果偏大。根据对比分析,对环撑水平刚度系数计算公式进行了修正,修正结果能基本与反推结果吻合,可为今后类似圆形深基坑的设计、施工提供参考。

基于普氏理论的圆形隧道竖向土压力计算方法

基于经典普氏压力拱理论,对隧道竖向土压力进行了分析论证,在此基础上,结合圆形隧道开挖后土体滑裂面的实际情况,对经典普氏压力拱理论进行了合理的改进,推导了圆形隧道平衡拱半跨度B和平衡拱高度h的解析表达式,由此建立了圆形隧道竖向土压力计算公式。通过一个具体的算例,对比分析了圆形隧道条件下直接采用经典普氏压力拱理论以及采用文中改进方法所得隧道竖向土压力之间的差异,初步验证了文中所提出改进方法的合理性。

望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带支护研究

为保障望云煤矿开拓大巷穿越断层破碎带的施工安全及长期稳定,通过钻孔窥视、数值模拟等方法,探究断层构造影响下围岩松动圈发育特征,以组合拱理论为基础对锚杆、锚索支护进行优化设计,采用可伸缩U型钢架提高支护强度,数值模拟验证支护方案的可行性,实现了快速顺利通过F15断层,为后续巷道支护及施工提供可靠参考。

蚀变岩地质条件隧洞底拱衬砌针梁滑模施工技术

圆形隧洞底拱衬砌常规翻模工艺中模板需设置足够的锚筋,增加较长的工序时间和较高的成本费用,而对于长距离蚀变软岩的隧洞更是受力条件差,另外水工隧洞糙率要求高,需解决外观质量通病的产生和处理。以硬梁包水电站引水隧洞为例,经过探索改进工艺,设计并使用了底拱混凝土衬砌针梁滑模台车,实现了高质量、低成本、简施工和节约工期等目标。

某圆拱形桥塔矮塔斜拉桥索塔锚固方案研究

随着对桥梁景观造型要求的提高,斜拉桥的桥塔会采用非常规造型。上海金运路─申昆路道路贯通工程中跨吴淞江大桥,为满足景观造型要求,采用圆拱形桥塔矮塔斜拉桥。索塔锚固区的设计难点是截面尺寸小,索塔锚固区构造布置空间受限,锚固构件放样、焊接困难,是控制设计的关键部位。配合工程设计,根据常用的提出可行的锚固方案,再通过有限元受力分析验证其可行性与安全性。

深埋圆形毛洞隧道围岩压力拱范围研究

为揭示深埋圆形毛洞隧道围岩压力拱范围,基于复变理论及经典弹塑性理论,结合M-C屈服准则,提出了一种准确预测围岩压力拱内、外边界的方法,并通过数值计算验证了预测方法的正确性.在验证预测结果正确的基础上,研究了隧道埋深、侧压力系数和围岩条件3个主要因素对围岩压力拱范围的敏感性.研究结果表明:1)软弱松散岩体中深埋圆形毛洞隧道上半部分是施工的关键,施工时应考虑对隧道拱顶120°范围内采取适当的超前支护手段,以确保隧道施工安全;2)围岩条件较差时,隧道施工促使周边围岩松动区贯通,必要时建议采取全断面超前注浆加固措施,以防止围岩松动区进一步发展.研究理论为判定毛洞隧道周围松动区是否贯通和确定隧道超前支护的位置及范围提供参考.

深埋圆形隧道的压力拱研究

针对压力拱存在概念不明确的问题,阐述了隧道中压力拱的概念,指出压力拱是一条受压的曲线,隧道开挖后会形成一次开挖压力拱,当围岩出现拉应力时会导致二次开挖压力拱出现。然后,在现有深埋圆形隧道解析解基础上,将地应力分为静水压力、双向常应力、与深度成正比三种情况进行压力拱分析。研究结果表明:对于地应力为静水压力情况,一次压力拱和隧道的轮廓线重合;对于地应力为双向常应力情况,一次压力拱和水平与竖向应力比有关,还和受拉判断标准有关,当竖向应力是水平应力的3倍以上时,拱顶将产生拉应力,且压力拱和隧道轮廓线间的受拉体随其值的增大而增大;对于地应力与深度成正比情况,一次压力拱的特性和地应力为双向常应力情况类似,隧道顶部受拉时的水平地应力与竖向地应力比值要小于0.2。从工程安全角度考虑,压力拱宜以最小主应力受拉为判断标准。

“上海中心”深大圆形基坑的设计计算方法研究

圆形基坑受力具有明显的空间效应,支护体系的竖向抗弯刚度与环向抗压刚度决定了基坑的受力性状和传力路径。采用考虑圆拱效应的平面弹性地基梁法和三维弹性地基板法,对"上海中心"深大圆形基坑进行了计算分析,计算中考虑了地墙接头形式、支撑体系刚度等对基坑环向刚度的影响,计算与工程实测较为一致。经工程应用表明,圆形基坑设计中宜结合采用两种计算方法以确保计算结果的合理性。另外,在圆形基坑设计分析时应综合考虑各种因素,合理分析支护体系的环向刚度和传力路径,确保基坑环向和竖向两个受力体系的安全稳定。

基于模型试验与FEM的TBM圆形隧道压力拱成拱规律

不同于软土盾构隧道,TBM隧道多用于岩体条件下隧道的挖掘,传统土力学方法不适用于TBM隧道的荷载计算。在岩石隧道中,荷载的产生与压力拱的形成息息相关,通过对TBM圆形岩石隧道的压力拱分析来确定荷载大小及围岩开挖影响区。通过对围岩开挖后应力变化的理论分析与简化,得到便于使用、结果直观的岩石隧道压力拱范围的判别方法。随后采用大型模型试验,对隧道开挖的塌方情况以及洞周应力变化情况分析,以验证该方法的合理性。最后,将该方法用于TBM圆形岩石隧道中,与各规范计算结果进行对比分析,并对不同埋深下TBM圆形隧道的压力拱区域进行分析,得到盾构隧道压力拱成拱情况以及其对衬砌受力情况的分析结果,以指导工程。

压弯圆弧拱平面内稳定承载力设计方法的理论与试验研究

对压弯圆弧拱平面内稳定承载力设计方法进行理论研究,考虑材料非线性、残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和支承条件的影响,提出热轧圆管截面、焊接工字形截面和焊接箱形截面压弯圆弧拱平面内稳定承载力的设计建议公式。在数值计算的基础上,分别对全跨竖向均布荷载和半跨竖向均布荷载作用下的焊接工字形截面两铰圆弧钢拱的平面内稳定承载力进行试验研究,试验结果与有限元计算结果吻合良好。

隧道横截面对电磁波传播特性的影响

利用解析方法与数值分析方法重点研究了电磁波在圆形隧道、矩形隧道和拱形隧道中的传播特性,得出了当隧道横截面积越大衰减率越小,及隧道横截面形状对衰减率影响。当频率较高时,圆形隧道、矩形隧道和拱形隧道的衰减率表达式是一致的;当隧道半径或长边长的一半大于波长10倍以上时,电磁波的衰减率很小,几乎与横截面形状无关,仅仅与隧道横截面积的大小有微弱的关系。

考虑剪切变形的圆弧深拱参数共振稳定性分析

基于结构弹性稳定理论,根据能量法推导出以位移为基本未知量的圆弧深拱总势能,从Hamilton原理出发,建立了考虑剪切变形的圆弧深拱的动力稳定微分方程。利用Galerkin方法将该方程转化为二阶常微分Mathieu型参数共振方程,推导出圆弧深拱主参数共振的临界频率方程式,从而求得周期解所包围的动力不稳定区域。通过分析剪切变形、圆弧半径、圆心角等参数对圆弧深拱动力稳定性的影响,探讨了圆弧深拱发生参数共振的动力稳定性问题,为拱型结构动力分析与设计提供参考依据。

钢拱架应力反分析隧道初期支护力学性能的研究

适时分析软弱破碎围岩段衬砌结构的内力状态是隧道动态施工中的关键性问题之一,对判断隧道施工安全状态和评价支护结构稳定性具有重要意义。考虑钢拱架已作为软弱围岩段公路隧道初期支护的重要形式,现通过分析隧道施工现场钢拱架支护的自身特点和受力特性,建立含有钢拱架和喷射混凝土的隧道复合初期支护的地基曲梁力学模型。然后运用地基曲梁相关理论,通过现场监测的钢拱架应力推求出隧道复合初期支护内力解析式,从而迅速得到隧道支护结构的应力集中部位。最后,经由台阶法施工的隧道工程实例运用表明,基于实测钢拱架应力求解隧道初期支护内力的解析研究是分析软弱破碎围岩段隧道支护力学性能的一种新方式,并能及时有效地为隧道现场施工安全提供直观、可靠的力学依据和技术支持。