城市轨道交通双线叠交盾构隧道合理竖向净距研究

为了确定城市轨道交通双线叠交盾构隧道的合理竖向净距,建立双线叠交盾构隧道数值模型,分析新建隧道与上方既有隧道交角α分别为0°及90°,且其竖向净距L分别为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m共12种工况下,新建隧道施工所引起的既有隧道整体结构产生的位移。以北京新建地铁14号线望京站—阜通站区间隧道工程下穿既有15号线望京站—望京西站区间隧道为例,通过建立三维有限元数值模型,选取15号线既有隧道拱顶监测点,对其进行沉降监测值与模拟值对比。结果表明:当α为0°,L分别为5 m、6 m时,既有隧道拱底沉降曲线几乎相同且远小于L分别为1 m、2 m、3 m、4 m时的,而L分别为1 m、2 m、3 m、4 m时的拱底沉降曲线较为接近,且随着双线隧道开挖结束,拱底沉降曲线整体呈增大趋势;当α为90°,L为5 m时,新建盾构隧道动态掘进对既有隧道整体影响最小;15号线既有隧道拱顶沉降实际监测值与模拟计算值存在一定偏差,但两者整体规律较为相符。由此可知,新建隧道与上方既有隧道竖向净距为5 m、6 m时较为合理。

盾构直削始发方案研究

随着盾构施工工艺的发展,越来越多的工程开始采用盾构直削始发.盾构法施工中,始发是易发生事故的重要环节.相对于传统的人工凿除洞门,直削始发时刀盘直接切割洞门,避免了掌子面土体形成临空面,从而降低了施工风险.以郑州某地铁区间隧道工程盾构直削始发为例,采用Midas GTS NX有限元软件,考虑洞门破除及盾构动态掘进的影响,对盾构直削始发时围护结构变形、土体变形和周围管线变形等进行了计算分析,验证了盾构端头直削始发方案的合理性.为验证数值模拟的可靠性,将数值计算结果和现场监测结果进行了对比分析,对比结果显示二者的变化规律一致,表明数值模拟结果合理.

复合岩层中滚刀旋转切割破岩效率试验研究

TBM掘进经常遇到复合岩层,在该地层中施工对滚刀破岩非常不利。为了提高掘进效率,降低工程造价,开展复合岩层滚刀破岩效率研究很有必要。鉴于此,采用滚刀岩机作用综合试验台对砂岩、花岗岩复合(复合比例为4(25) 6)而成的岩层进行5组刀间距下3种贯入度的3把滚刀同步旋转切割试验;试验过程中监测破岩总法向力、总扭矩,并分别收集两种岩石的岩渣进行筛分、称重;依据试验结果分析不同刀间距、贯入度下的法向力、扭矩及比能的关系。研究表明:不同刀间距时,平均法向力、平均扭矩随贯入度的增加而增大但两者的增加趋势不同,即平均法向力随着贯入度的增加几乎呈直线增大,而平均扭矩随着贯入度的增加其递增趋势减小;不同贯入度下存在不同的最优刀间距;砂岩、花岗岩切割轨迹长度比例为4:6时刀间距与贯入度的比值在14左右,破岩效率最高。

地下结构平面问题简化人工边界侧向宽度设置研究

地下结构抗震分析中一个重要问题就是人工边界的处理。为了简化计算,从理论上分析了平面问题侧向边界采用竖向约束、水平自由的合理性,并且为了研究侧向边界宽度的影响因素及其影响程度,通过典型案例,采用动力时程法分析了在地震荷载下土体阻尼比、结构尺度、地震波特性、土体非线性等对边界宽度的影响程度。结果表明:土体阻尼比和土体非线性对边界宽度具有类似的影响,土体阻尼比越大、非线性程度越高所需的侧向边界宽度越小,但阻尼比超过一定值、非线性达到一定程度后,对侧向边界宽度的影响并不明显;结构尺度对边界宽度有影响,结构尺度越大所需边界宽度越宽;地震波的频谱特性和持续时间影响较大。

黄泛区粉砂土动强度与抗液化强度试验研究

因黄泛区粉砂土与其他地区有较大区别,对其动强度和抗液化强度的研究相对较少。对开封地区粉砂土的动强度和抗液化强度进行研究,选定围压、干密度、细粒含量作为影响因素,通过动三轴试验得到其动强度曲线和抗液化强度曲线,分别分析三个影响因素对黄泛区粉砂土动强度和抗液化强度的影响。结果表明:黄泛区粉砂土的动强度和抗液化强度随围压和干密度的增加而增大,随动荷载振动次数的增加而减小,随细粒含量的增加出现先降低后提高的现象,且其抗液化强度比动强度大。

基于IDA法的矩形地下车站层间位移角抗震性能限值研究

在常用增量动力分析(IDA)法基础上,为了使得IDA法适用于地下结构抗震性能分析,把自由场地震反应和土-结构相互作用反应分开进行;首先采用等效线性化进行一维自由场分析,得到反应加速度法所需的土层加速度法,然后采用反应加速度法进行土-结构相互作用分析;上述两步计算理论成熟,计算工作量小,因此修正的IDA法计算效率高。选取结构形式、场地类别、地震波、土层厚度、结构埋深等5个影响地下车站抗震性能的因素,通过正交试验设计,设置25个工况;采用修正IDA法进行增量动力分析,以地震动时程加速度峰值作为地震动强度参数(IM),以层间位移角作为结构性能参数(DM),得到25条IDA曲线。根据屈服点和倒塌点的定义,在每条IDA曲线上得到屈服点和倒塌点的层间位移角数值,通过对25个工况结果的数值平均,得到钢筋混凝土矩形地下车站层间位移角屈服点和倒塌点限值分别为1/482和1/25。通过对25个工况结果的极差分析,得到5个影响因素的主次顺序,屈服点和倒塌点影响因素的主次顺序不尽相同。

不同包裹角度下GFRP复合桩水平承载特性研究

玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer)是由玻璃纤维和基体材料按照一定比例混合而成的高性能材料,具有轻质高强、耐腐蚀和抗疲劳的优点。GFRP复合桩是利用GFRP筋代替钢筋,并且在桩身包裹GFRP布的一种新型桩基形式。为了研究在桩身表面粘贴不同角度的GFRP单向布对GFRP复合桩水平承载性能的影响。通过室内模型试验,研究了在桩身表面分别按照30°、45°和60°包裹GFRP单向布,对单桩的水平承载力和抗弯刚度的影响。利用ABAQUS有限元软件建立模型,对不同包裹角度GFRP复合桩的水平承载力进行数值模拟。试验结果表明:随着包裹角度的增加,单桩的水平承载力和抗弯刚度随之增加,桩身的弯矩则减小少。在桩顶承受2000 N的水平荷载作用时,GFRP布按60°包裹的GFRP复合桩的水平位移比按30°包裹减小了21.8%,桩身截面的最大弯矩减小了16.7%。增大GFRP单向布在桩身的包裹角度,可以提高GFRP复合桩的水平承载力。

地震作用下盾构隧道变形性能试验研究

地震作用下,盾构隧道的抗震变形性能限值是个重要指标。采用盾构区间隧道为原型,设计1/20的相似模型,考虑管片接头以及土体-结构相互作用,采用隧道结构加载试验系统,对盾构管片结构在不同的拼装方式和埋深下的变形行为进行了研究,测得了管片环的内力和位移。通过对6组试验结果进行分析对比,得出结论:埋深和拼装方式对盾构隧道结构变形有影响,对通缝结构的影响大于错缝结构;弹塑性分界点直径变形率限值,对通缝结构为0.56‰~1.00‰,对错缝结构为0.42‰~1.09‰;临界失稳点直径变形率限值,对通缝结构为16.87‰~21.44‰,对错缝结构为15.22‰~19.52‰。

降水及等效堆载对桩侧摩阻力影响的对比研究

解析降水及桩侧地面等效堆载作用下,桩周不同区域土体有效应力增量分布的异同,用规范提供的解析式和数值方法研究降水与等效堆载时单桩侧摩阻力特性的差异,结果表明规范给出的负摩阻力解析式属极限分析法,在桩土相对位移较小时结果偏大,依照解析法进行桩基设计偏于安全。数值法得到的侧摩阻力曲线呈明显的三段式,而解析法得到的侧摩阻力曲线存在突变,中性点处侧摩阻力不为0,与实际显然不符。

复合岩层中双护盾TBM合理掘进方向研究

为了研究隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)在复合岩层中的合理掘进方向,以复合岩层中岩层的走向、倾向与隧道轴线的夹角为研究对象,基于离散元软件3DEC建立双护盾TBM在复合岩层中的动态掘进模型并开展模拟试验,研究不同侧压系数(λ)下岩层产状对TBM掘进的影响。结果表明:1)侧压系数越小,TBM掘进时的阻力越小,越有利于掘进。即λ≤1.0时,随着侧压系数的增加,TBM接触压力增长幅度较小;1.0<λ≤1.4时,随着侧压系数的增加,TBM接触压力增长幅度较大;λ>1.4时,TBM接触压力增长幅度显著增大。2)无论侧压系数多大,TBM沿倾向掘进所受接触压力总小于逆倾向,沿倾向更利于TBM掘进;岩层走向和隧道掘进方向垂直时更有利于掘进。

一维动静组合加载下复合岩样动态力学特性试验研究

为研究高地应力与动力扰动下复合岩层的破坏机理,利用改进的分离式霍布金森压杆试验装置,开展一维动静组合加载下复合岩样的动态力学特性试验研究。选取0、20%σ_(s)、40%σ_(s)、60%σ_(s)、80%σ_(s)(σ_(s)为岩样静态单轴抗压强度)5个水平的轴压,对复合岩样进行0.5 MPa和0.9 MPa冲击气压下的冲击试验,并借助高速摄像机对岩层倾角α=30°时岩样的动态破坏过程进行记录。通过对试验结果的分析主要得到以下结论:复合岩样在一维动静组合加载下表现出的动态力学特性变化规律与均质试样以及含裂隙试样有显著差异;轴压对复合岩样的动态变形模量和动态强度有明显的影响,轴压为20%σ_(s)时对应的动弹模和动强度均为极值点;复合岩样的单位体积吸收能随轴压的增大整体呈减小趋势,在α=60°时出现单位体积释放能现象;除α=0°之外,其余各倾角的能量吸收率随轴压的增大总体呈减小趋势;复合岩样随着轴压的增加破坏程度更大,复合岩样主要以拉-剪组合破坏为主,层理面及B材料(即强度较低的岩层)对试样的破坏有控制作用。

采用不同中柱的单层地铁地下车站结构抗震性能对比研究

针对地铁地下车站结构中柱这一抗震薄弱构件,分别采用方形钢筋混凝土柱、圆形钢筋混凝土柱,以及本文新提出的带快速连接装置的预制钢管混凝土柱,建立了土–地下结构非线性静动力耦合相互作用的三维有限元分析模型,对比分析了采用不同中柱设计对车站主体结构地震反应特性的影响规律。结果表明:与方形中柱相比,等截面惯性矩的圆形中柱在地震中受到的损伤较小,具有更好的抗震性能。采用新提出的带快速连接装置的预制钢管混凝土柱可以有效地保证结构中柱在强地震中不受严重损伤,且具有在震后能快速更换的特点。

不同斜坡坡角对桩基水平承载特性试验研究与数值分析

通过室内模型试验,将模型桩分别埋设在斜坡坡角为15°、30°和45°斜坡中部,分析不同坡角对单桩水平承载力,桩身弯矩的影响;利用ABAQUS有限元分析软件分别建立15°、30°和45°斜坡模型,对斜坡上单桩在组合荷载作用下的承载特性进行数值模拟。结果表明:随着斜坡坡角的增加,桩后土压力随之增大,土体对桩的水平推力不断增大;进而桩顶水平位移增大,桩身弯矩也随之增大;不同加载顺序对水平承载特性产生影响,预先施加竖向荷载,可以提高单桩的水平承载力,预先施加水平荷载,再施加竖向荷载,对单桩的水平承载力不利。

基于修正IDA法的隧道地震易损性分析

为了研究隧道的抗震能力,通过修正增量动力分析法得到概率地震需求模型,将工程需求参数限值与概率地震需求模型结合得到各个地震动强度下的结构失效概率,获得结构的地震易损性曲线来评价隧道的抗震性能。以典型地下管廊和盾构隧道为例,利用SAP2000软件建立有限元模型,设立12种工况探讨了不同场地类别、埋深、截面尺寸对不同结构型式隧道抗震能力的影响。研究结果表明:场地类别对隧道结构损伤程度的影响最大,其中Ⅳ类场地中的结构危险程度最大;隧道结构在进入弹塑性工作阶段具有较好的抗震能力;埋深大的隧道结构比埋深小的更为危险;大横截面的隧道结构相比小截面的更为危险。

侧压系数及回填材料对双护盾TBM卡机控制的影响分析

为研究深部挤压地层侧压系数λ、回填材料弹性模量E、软填充长度Lr对双护盾TBM卡机控制的影响,采用3DEC建立了TBM与围岩相互作用模型。数值计算中采用了改进的Burgers(CVISC)黏弹塑性蠕变本构,模拟了TBM动态分步开挖,结果表明:(1)λ越大,对TBM卡机控制越不利:当λ≤1时,其影响程度较小;当1<λ≤1.2时,其影响程度逐渐增大;当λ≥1.2时,TBM的总阻力急剧上升,对卡机控制极为不利;(2)回填材料E越大,TBM的总接触压力和总阻力越小,对TBM卡机控制越有利;(3)Lr越大TBM总阻力越大,TBM的卡机概率也越大;TBM掘进中,为了降低卡机概率应尽量缩短软填充阶段的长度。

不同弯矩作用时斜坡上单桩承载特性的数值模拟

为研究不同弯矩作用对斜坡上单桩水平承载特性的影响,运用ABAQUS有限元分析软件建立45°斜坡模型,对不同弯矩荷载作用时斜坡上单桩桩身水平位移,桩身弯矩和桩前后土压力进行数值模拟。结果表明,随着桩顶弯矩荷载的增加,桩身水平侧移、桩身最大弯矩和桩前土压力均随之增加。桩顶弯矩的施加大大降低了斜坡上桩的水平承载力。

大豆脲酶诱导碳酸钙沉淀的多因素影响分析

本文探究了多个影响因素对大豆脲酶诱导碳酸钙沉淀(SICP)的影响,以优选出主要影响因素并提供其最佳范围。首先分析了脲酶浓度和温度对脲酶活性的影响;之后通过正交实验设计,进行25种工况的SICP水溶液实验,研究不同因素组合下Ca^(2+)利用率的变化规律;最后借助扫描电子显微镜观测不同工况下生成碳酸钙的形态。结果表明:低温有利于脲酶的保存及活性发挥,5℃时脲酶活性能保持21 d以上;同一温度下,脲酶浓度越大,脲酶初始活性越高,脲酶完全失活所需时间越短。pH值、脲酶与胶结液体积比是影响Ca^(2+)利用率的主要因素。为达到较高的Ca^(2+)利用率,脲酶和胶结液最佳体积比为1,氯化钙与尿素最佳浓度比为1.5,Ca^(2+)最佳浓度为1 mol/L。当脲酶浓度较低时生成的六面体状碳酸钙较多;随着脲酶浓度的增大,所沉淀的碳酸钙向球形转变。大豆中富含的天冬氨酸是控制碳酸钙形态的重要因素。

围压作用下复合岩层滚刀破岩效率数值模拟

为了探讨围压作用下不同因素对复合岩层滚刀破岩效率的影响,基于PFC3D开展了双滚刀破岩效率的数值研究。采用PFC3D建立了三维双滚刀破岩模型,对复合岩层破岩效率研究方法及破岩效率本身开展了研究,结果表明:改变层理参数对复合岩层破岩比能影响可以忽略;采用不同类型岩石的破岩比能与切割长度的加权平均代替复合岩层的破岩比能是合理、可行的;比能随着围压的增大而逐渐增大;相同围压下,刀间距一致时比能随着贯入度的增大而逐渐减小;最优刀间距与贯入度之比(s∶p)与围压和贯入度有关,而与不同岩石切割长度比例无关。

隔离桩对堆载下群桩下拉荷载的屏蔽效应

目前关于隔离桩对堆载下群桩负摩阻力及下拉荷载屏蔽效应的研究较少,中国规范也未对隔离桩的设计参数给出建议。定义下拉荷载屏蔽效应系数这一概念;建立考虑桩-土作用的三维有限元模型,通过数值计算结果与模型试验数据的对比,验证数值模型的准确性。以群桩效应系数和下拉荷载屏蔽效应系数为评价指标,研究隔离桩对堆载下基桩负摩阻力与下拉荷载的屏蔽效果,分析隔离桩桩长、边长、与最外侧基桩间距3个因素对屏蔽效果的影响规律,对隔离桩的设置给出参考。研究成果可为堆载时群桩负摩阻力的消除及隔离桩的优化设计提供参考。

高轴压比下型钢混凝土柱的抗震性能

为研究高轴压比下型钢混凝土柱的抗震性能指标,设计了轴压比为0.57和0.70的2个型钢混凝土柱的水平往复拟静力加载试验。通过试验得到了高轴压比下型钢混凝土柱的滞回曲线和骨架曲线,计算出等效黏滞阻尼系数、功比指数、位移延性系数等;然后通过与数值模拟结果对比,得到合理的数值模型及参数取值;基于此数值模型,改变轴压比(0.80~1.30)得到了不同高轴压比下的数值模拟结果。分析结果表明:试件的破坏形式为压弯型破坏;随着轴压比的增大,型钢混凝土柱的耗能性能、延性性能逐渐变差;位移延性系数为1.20~2.54,等效黏滞阻尼系数为0.20~1.29,功比指数为2.35~9.93。