盾构隧道环间接头弯曲状态非线性研究

为探明盾构隧道环间接头抗弯性能在纵向弯矩、轴力组合作用下的状态非线性规律,将环间接头力学行为划分为7种变形模式及3种受力状态,分别推导了环间接头转角-纵向弯矩-纵向轴力三者关系的解析表达式与环间接头在不同弯曲状态间转变时的临界内力表达式,并以三维有限元计算对本文提出的解析公式进行验证。研究结果表明:盾构隧道特有的“管片环+接头”非连续结构形式导致环间接头弯曲行为具有状态非线性特征,不同弯矩、轴力组合作用下,盾构隧道环间接头变形模式于不同状态间转变并伴随抗弯刚度突变;纯弯作用下环间接头抗弯刚度为定值,轴向压力可使接头抗弯刚度较纯弯时提高数倍乃至无穷大;拉弯作用下接头抗弯性能维持在两个固定水平值之间,接缝面被完全拉开时环间接头抗弯刚度会随之被削弱数倍。     

基于接头抗弯刚度非线性的壳-弹簧-接触-地层模型的建立

管片接头抗弯刚度与接头处所受弯矩和轴力相关,具有明显的非线性特性,导致隧道整体力学机理变得复杂。通过计算发现,接头抗弯刚度对结构内力有较大影响。因此,建立壳-弹簧-接触-地层模型,其中接头抗弯刚度根据接头处的受力情况调整,反复迭代计算得到衬砌的真实受力状态,简称迭代模型。通过大比例尺室内试验对模型计算结果进行了验证,然后采用该模型对狮子洋隧道复合地层中衬砌受力进行了计算分析,并与接头抗弯刚度恒定模型（简称恒定模型）进行了对比研究。结果表明:相对于恒定模型,迭代模型的刚度取值与模型实验更为接近,因此得到的结果也更为可靠;对于复合地层而言,恒定模型与迭代模型所得结果差别较大,且该差异随着软弱层厚度与隧道直径比值的增大呈增加趋势;当盾构隧道结构所处岩层较均匀时,全环各个位置处接头刚度值差别不大,此时若输入适当的接头刚度值,恒定模型也可以得到较为准确的计算结果。     

考虑剪切作用的盾构隧道管片接头力学模型研究

目前使用较广泛的盾构隧道管片接头研究模型往往视切向为刚性,大多考虑了轴力与弯矩的共同作用而忽视了剪力作用。然而剪切力可能会使接头位置发生剪切位移,严重时可能引起管片剪切破坏、隧道错台等。该文将轴向、切向和转动三个方向的位移作为已知荷载,分别推导接头区域内螺栓与混凝土结构的刚度矩阵,然后对刚度矩阵进行合成,得到管片接头考虑剪切时的力学模型。并以狮子洋盾构隧道工程为依托,对比了有限元法与该模型的计算结果。研究表明,模型与有限元法计算的结果规律相同,两者具有较好的一致性。该文建立的模型考虑了轴向、剪切及弯曲三个方向上荷载的耦合作用,使之更符合接头的实际情况。研究成果对补充管片接头力学模型有一定参考价值。     

盾构隧道衬砌整环力学机理模型

目前未见有普遍适用的理论公式来表征盾构隧道衬砌结构参数的内在联系。该文首先提出了用“代表性区段”体现整环结构弯曲刚度特征的思想,然后建立了通缝和错缝条件下管片环拼装力学机理模型,接着运用力学模型推导出弯曲刚度有效率和弯矩提高率等参数的取值公式和相互关系式,最后验证了公式的正确性。研究表明:力学模型能够推导出弯曲刚度有效率、管片体弯矩提高率、管片接头弯矩减少率、衬砌结构参数之间的关系公式;管片接头弯矩减小率未必等于管片体弯矩提高率,表明传统采用单一弯矩提高率值的做法不够科学;匀质圆环法还能给出环间接头径向最大剪力取值,并且其结果较为可靠;参数取值公式中有两个重要的中间参数,与环向相对刚度和径向相对刚度具有相似性,应予重视。参数取值理论公式的提出,对揭示盾构隧道整环拼装内在力学本质有着重要价值。     

大断面越江盾构隧道管片拼装方式对结构内力的影响效应研究

大断面越江隧道管片拼装方式对结构内力的影响一直引人关注,由于拼装方式的不同将引起管片结构内力的分布与量值的变化。鉴于此,该文对圆形盾构隧道管片拼装效应的产生机理进行了理论分析,着重探讨了纵向相互作用力对管片环向内力的影响,随后以南京长江隧道为工程背景,对其管片在通缝与错缝拼装条件下结构环向内力分布及错缝拼装下目标管片内力沿圆周及幅宽方向的内力分布规律开展了原型试验研究。结果表明,由于环间的相互作用效应,使错缝结构局部区域弯矩呈现出加强的效果。在纵向螺栓作用区域,管片环向弯矩增幅、轴力降幅较大。沿管片幅宽方向,正弯矩呈“凹”型分布,负弯矩呈“凸”型分布,轴力呈“凸”型分布。该研究结果可为大断面水下盾构隧道的设计、施工和相关研究提供重要参考。     

深部复合地层管片衬砌与可压缩层联合支护技术研究

深埋盾构隧道所受围岩压力主要为围岩挤压型大变形产生的形变压力,其主要特点是变形持续时间长且具有重复性,支护完成后围岩压力仍将持续增大,企图通过增加支护刚度来抑制围岩变形是不现实的,采用让压支护是解决问题的一个方向。同时,深部围岩赋存条件复杂,岩体结构复杂多变,盾构隧道穿越复合地层不可避免。以国内两座大埋深盾构煤矿斜井为背景,采用相似模型试验和有限元数值计算手段,对比分析不同复合地层条件下管片衬砌+可压缩层联合支护时管片衬砌的力学性能。研究结果表明:在模型正确建立且参数取值合理的前提下,有限元数值计算结果可以和相似模型试验结果很好的吻合。均一地层条件下可压缩层可使管片最大弯矩减小12.5%~19.9%,最大轴力减小14.2%。复合地层使管片弯矩量值和分布均产生明显变化,但对管片轴力的影响则不明显,管片弯矩对复合地层抗力更为敏感,而轴力对复合地层抗力不敏感。有可压缩层情况下,复合地层中管片内力分布更加均匀,轴力的变化不明显。复合地层相对厚度对管片最大正弯矩的影响较为稳定,对管片最大负弯矩影响显著,使其产生位置偏向相对较软一侧的地层,且相对厚度越大偏移越明显。"上硬下软"复合地层中管片弯矩更容易受地层相对刚度的影响。     

剪切波作用下盾构隧道地震效应的拟静力分析方法研究

针对均质土层中圆形盾构隧道在水平剪切波作用下的地震响应分析问题,在获得隧道周边自由场剪切应力的基础上,利用弹性中心法和空洞复变函数,给出了深埋盾构隧道在土层结构界面滑移和不滑移情况下的解析分析公式;并建立相同条件的等效刚度数值分析模型和考虑接头效应的有接头分析模型进行对比。研究表明:等效刚度拟静力法与等效刚度数值法所获得的剪切地震波作用附加弯矩、附加轴力分布形态及其最大值发生位置都具有良好的一致性;在三种方法获得的附加弯矩和附加轴力当中,等效刚度拟静力法最大,等效刚度数值法次之,有接头数值法最小;土层结构界面滑移相对不滑移而言,附加轴力偏小、附加弯矩偏大;等效刚度拟静力法结果偏于安全,公式简便,考虑界面滑移时更加接近实际,故可推荐考虑滑移条件的等效刚度拟静力法作为深埋圆形盾构隧道的抗震设计方法,并与常时荷载静力分析结果叠加后进行配筋设计。     

纵向力作用下的盾构隧道管片结构纵向弯曲变形性能研究EI北大核心CSCD

为探明盾构隧道在纵向力作用下的纵向弯曲变形性能,以武汉两湖隧道工程(东湖段)为背景开展了管片结构纵向模型试验,对隧道的竖向位移与纵向应变进行了研究,探明了纵向力对盾构隧道纵向弯曲变形性能的影响。研究结果表明:纵向力能够提高隧道的纵向抗弯刚度,其对纵向抗弯刚度的提升作用随竖向荷载的增加呈先增大后减小的趋势。以竖向荷载分别为3200 kN、9600 kN、16000 kN为例,当隧道从无纵向力作用到竖纵荷载比K分别为0.56、1.67、2.78时,隧道的最大竖向位移分别减少了45.5%、56.8%、62.7%,而竖向荷载为22400 kN、K为3.89时仅减小了23.5%。管片结构纵向刚度有效率随竖向荷载的增加而减小,根据减小的程度可分为3个阶段:第一阶段为刚度弱化阶段;第二阶段为刚度稳定阶段;第三阶段恢复至刚度弱化阶段。纵向刚度有效率同时受竖向荷载与纵向力共同的影响,且当竖向荷载一定时,竖纵荷载比越小,隧道的纵向刚度有效率越大,当竖向荷载为22400 kN、竖纵荷载比K从35减小至3.89时,隧道的纵向刚度有效率减小了16.2%。以跨中横截面为例,隧道横截面的中性轴在竖向荷载的作用下会随着隧道的变形而上移,增加纵向力能使中性轴下移并趋近于拱腰位置。该文试验所得纵向刚度有效率在无纵向力时与现有模型试验结果相近,在考虑纵向力后大于现有研究结果,纵向刚度有效率应考虑残余纵向力的影响,建议取值为0.218~0.696。     

盾构隧道管片衬砌的平板壳-接缝元-地基系统模型研究

基于Mindlin平板理论及钢筋混凝土分层组合式模型,提出了平板壳-接缝元-地基系统模型.模型以所构造的接缝元模拟管片衬砌间力的传递,可体现管片中钢筋、接缝处各种构造对衬砌结构力学性能的影响.模型在对管片接缝的模拟中以较容易确定的止水、衬垫、螺栓和混凝土等材料的力学及几何指标替代了传统方法中不易确定的接缝刚度指标,可更...     

基坑上跨开挖诱发既有盾构隧道隆起变形研究EI北大核心CSCD

基坑上跨开挖将会引起既有盾构隧道隆起变形,危及既有盾构隧道的服役性能。目前基坑开挖引起的盾构隧道隆起变形的解析方法,通常将盾构隧道简化为埋置于弹性地基上的连续长梁,忽略了环间接头影响。针对前人研究的不足,提出带环间接头的盾构隧道计算模型,通过非线性Pasternak地基模型来考虑地基土变形的非线性特征,通过两阶段分析法,推导得到基坑上跨开挖作用下盾构隧道隆起位移和张开量简化解答。通过MINDLIN解计算基坑开挖引起的作用于盾构隧道上的附加荷载;建立基坑卸载下盾构隧道的隆起变形微分方程。利用有限差分法求解出基坑开挖引起的邻近盾构隧道隆起变形和内力分布。收集了三个工程实测数据,并将所提方法和实测数据、既有理论方法进行对比,验证所提方法的适用性。     

任意截面预应力混凝土细长柱的非线性分析

提出了轴力和双向弯曲作用下任意截面混凝土和预应力混凝土细长柱的非线性有限元计算模型。分析时既考虑了由单元变形和轴力二次矩引起的几何非线性效应,也考虑了由材料非线性应力应变关系和截面刚度矩阵引起的材料非线性效应。推导了非线性全过程分析的标准有限元公式,得到的单元刚度矩阵可分割成三个子矩阵,分别反映了材料非线性、材料非线性和单元大位移的耦合、轴力二次矩等三种不同的非线性作用效应。计算分析结果和试验结果吻合较好。     

盾构隧道新型分布榫式管片结构的局部原型试验研究

大直径盾构隧道在穿越复杂地层或水下环境时,环间常设置加强措施以控制环间错动与张开变形.为探明环间设置分布式凹凸榫的新型分布榫式管片结构力学特性与破坏机理,针对佛莞城际狮子洋隧道所采用的环间分布四榫式原型管片,开展了考虑相邻环错缝拼装组合的局部原型试验,详述了结构变形、环缝错台、接缝张开的变化规律与特征,对裂缝发展规律与...     

基于柔度法梁模型的盾构隧道衬砌结构纵向变形计算方法

由于纵向力及螺栓屈服等因素的影响,盾构隧道衬砌结构的纵向抗弯刚度沿隧道轴线分布并不均匀。针对该问题,引入隧道在附加沉降变形条件下的典型内力分布模式构造内力形函数,建立基于柔度法的盾构隧道衬砌结构纵向梁模型,并通过在轴向和环缝两个层次引入数值积分方法进行求解;基于该模型,得到了在柔性边界和刚性边界两种典型边界下沿隧道轴线的环缝变形分布,并讨论了数值积分策略对于计算结果的影响。研究结果表明:纵向力和螺栓屈服的影响在结构纵向变形计算中不可忽略,而考虑以上两点因素后,结构由于受局部集中变形的影响,位移模式将非常复杂,所提出的柔度法模型则能够避免传统刚度法模型在处理该问题上的局限性,从而用很小的计算代价获得较为精确的隧道结构纵向变形。