EPS板在上埋式涵洞土压力减荷中的应用与分析

对排水涵洞这类上埋式构筑物的受力特点进行分析,为其垂直土压力与侧向土压力的减荷寻找到EPS板这种新型减荷材料。通过现场公路涵洞试验,研究了有、无减荷措施(涵顶、侧铺设EPS板),以及有减荷措施但EPS板铺设厚度不同情况下的涵洞顶垂直土压力与涵侧侧向土压力的大小与分布。综合运用有限元方法,数值模拟了测试涵洞的垂直土压力与涵洞填土变形云图。试验与计算结果表明,EPS板能够有效地减小涵洞顶垂直土压力以及涵侧的侧向土压力,并且能够消除涵洞在路堤纵向引起的沉降差,是有效的上埋式涵洞土压力的减荷材料。     

EPS用于膨胀土渠坡稳定的压缩与蠕变特性试验研究

聚苯乙烯塑料泡沫(EPS)用于膨胀土渠道水下坡面的混凝土衬砌板下,发挥其减载、防水和保温功能,可减小作用于衬砌板上的膨胀压力,同时能保持膨胀土的基质吸力,从而对维护渠坡稳定起到十分积极的作用。为了更深入地研究EPS在受压时的力学特性,开展了3种密度EPS无侧限的单轴压缩与蠕变试验。结果表明EPS单轴压缩的应力-应变关系呈明显的非线性特征,据此提出了能完整描述其受压过程的本构模型;3种EPS即使在较小压缩应力的长期作用下,也会发生明显的蠕变。进一步指出了在寒区膨胀土渠坡衬砌结构应用的EPS选择中,应综合考虑EPS密度对其减载、防水和保温特性的不同影响;同时也应考虑EPS的压缩蠕变效应对于衬砌结构的影响。     

高填土涵洞减荷试验研究

通过现场试验,在盖板涵的顶部与侧面分别铺设不同厚度的EPS板进行减荷,结果表明EPS板能够显著减小涵顶与涵侧的土压力,试验测得涵顶土压力为土柱压力的0．29～0．45倍,涵侧土压力为土柱压力的0．15～0．18倍;这也表明通过铺设EPS板使得高填方涵洞上方土体应力重分布,涵顶土体存在明显的土拱效应,由于涵顶土压力在上部填土增加的过程中仍缓慢增大,说明此时的土拱效应具有不稳定的特点;当铺设EPS板后,建议采用太沙基（Terza—ghi）的土拱效应公式来计算涵顶土压力,并与试验结果进行了对比分析,得到较好的验证;并通过有限元建模,对比分析,同时也验证了减荷效果。     

膨胀土中EPS缓冲层-悬臂式挡墙支护结构的受力变形数值模拟

针对膨胀土中墙后铺设聚苯乙烯泡沫(EPS)缓冲层的悬臂式挡墙,探究了膨胀土因降雨入渗产生膨胀时EPS缓冲层的减压效果。对南阳中膨胀土开展膨胀特性试验,确定其在侧限和竖向荷载作用下的膨胀系数;在此基础上,利用ABAQUS数值软件对膨胀土-EPS缓冲层-悬臂式挡墙体系开展数值分析,研究了EPS缓冲层的厚度与弹性模量及与墙体和膨胀土间摩擦对该支护结构受力变形特征的影响规律。结果表明:EPS缓冲层能有效减小悬臂式挡墙上的侧压力并改变墙背土压力的分布;厚度较厚、弹性模量较低的EPS缓冲层减载效果更好;EPS缓冲层与墙体、膨胀土之间的摩擦影响墙背侧压力的分布,但不影响侧压力的合力大小;EPS缓冲层的压缩刚度与其减载性能成反比。     

注浆加筋减载涵洞土压力和内力的数值分析

为降低高填方涵洞所受荷载及涵体内力,提出了涵洞注浆加筋减载方法。采用有限元数值模拟计算了仅注浆加固和注浆加固结合加筋减载后的涵顶土压力和拱圈内力,对涵洞两侧不同范围注浆加固时的减载效果进行对比分析。通过参数分析,研究了格栅刚度及注浆区模量对涵顶土压力及拱圈内力的影响。结果表明,涵墙外注浆加固范围可取1/2涵洞宽度;在注浆加固区顶部铺设土工格栅能进一步降低涵顶土压力和拱圈内力;增大格栅刚度对提高减载效果作用很小;注浆区模量对涵顶土压力和拱圈内力有较大影响,当注浆区模量接近100 MPa时,涵顶土压力和拱圈内力达到较小值,进一步提高注浆区模量,涵顶土压力和拱圈内力减小并不明显。     

两类大跨钢波纹管涵洞力学特性对比分析

目前对大跨混凝土－钢波纹管拱涵的力学特性研究较少。为此,以大跨圆形钢波纹管涵为对比,揭示大跨拱涵与大跨圆涵力学特性差异,采用有限元方法,对两种结构涵顶垂直土压力、内力最大值、最大变形、力学特征变化规律以及ＥＰＳ板减荷效果进行对比分析。结果表明:两类涵洞结构力学特性分布规律基本相同,最不利点均位于涵侧与涵顶,建议以波纹管最大内力为设计控制指标,但拱涵上方“土拱效应”影响更大,卸荷更优且高填土下优势更明显。两类涵洞结构土压力传递规律相同,即由中心向两侧、由管涵向管周土体传递;波纹管内力传递规律相同,即由波峰向波谷传递,但拱涵部分波峰应力传递至基础,使其涵侧波谷切向应力较小;两类涵洞结构铺设ＥＰＳ板后垂直土压力、结构最大等效应力均变为非线性变化,前者减荷效果相同,后者拱涵减小更多,且在板厚30ｃｍ后加厚对两者影响不大。因此,大跨拱涵力学性能与ＥＰＳ板卸荷效果均优于同等跨径的圆涵。     

高填方涵洞加筋减载的数值模拟

为确定高填方涵洞加筋减载效果的影响因素及影响规律,在介绍加筋桥减载法及其减载机理的基础上,通过对加筋减载的高填方涵洞的数值模拟,研究了不同格栅层数、减载孔不同宽度、高度和侧壁角度以及减载孔不同填料性质时高填方涵洞的土压力变化规律,分析了高填方涵洞加筋减载的效果。结果表明:减载孔高度和减载孔填料模量对减载效果有较大的影响,减载孔高度越高,减载孔填料模量越低,减载效果越显著;减载孔宽度、格栅层数和减载孔填料的内摩擦角对减载效果影响较小,但减载孔宽度的增加使涵洞受力更均匀,有利于减小结构物内力。     

上埋式涵洞顶部垂直土压力的塑性分析

涵洞上覆土体采用非线性应力应变关系——简化的双曲线模型、地基采用线弹性模型，利用力的平衡和变形协调条件对上埋式钢筋混凝土涵洞顶部土压力进行探讨，所得洞顶垂直土压力的计算公式包含涵洞尺寸、上覆土体厚度、地基和填土性质。结果表明：上等沉降面的高度随填土厚度和地基弹性模量的增大而增大；洞顶土压力系数随填土厚度的增加呈现先增后减的趋势，     

高地温引水隧洞隔热支护结构温度及应力特性分析

以解决高地温特殊环境下引水隧洞支护结构隔热保温问题及优化支护结构设计为目标,研究高地温引水隧洞不同隔热支护结构聚苯乙烯泡沫聚苯板(EPS)、聚苯乙烯泡沫挤塑板(XPS)的温度分布规律及受力特性,以新疆某水电站引水隧洞为研究对象,基于隧洞现场监测试验成果,采用有限元软件对支护结构的温度场和应力场进行模拟。结果表明:采用隔热层能减少温度对围岩和支护结构温度分布的影响;高地温隔热支护结构中隔热选材必须具有良好的保温隔热性能和一定的强度;EPS板两侧温差比XPS板两侧温差大2.11℃;相较XPS复合衬砌和普通混凝土衬砌, EPS复合衬砌内外温差最小,EPS复合支护结构隔热性能最好;三种衬砌结构拱顶处环向应力均最大,相比之下EPS复合衬砌环向应力最小,其值为0.40 MPa,EPS复合支护结构受力特性最好。对比分析结果表明,支护结构隔热选材上EPS板性能优于XPS板。     

大尺度弧底梯形渠混凝土防渗板抗裂厚度试验

基于弧底梯形渠道整体现浇混凝土衬砌板原位冻胀过程监测数据,揭示了越冬期不同试验厚度衬砌板开裂在时间和空间上的差异,分析了衬砌板开裂程度与温度和板厚之间的定量关系。结果表明:衬砌板的开裂宽度与板的厚度成正比关系,裂缝宽度随衬砌板板厚的增加而变大;开裂宽度与积温的负值成正比,在冻结期随负积温的累积,衬砌板的开裂宽度变大,而在融化期则随正积温增大,裂缝宽度减小;在观测期末,裂缝残留量与板厚成正比;在试验区的气候、渠床条件下,大尺度弧底梯形渠道边坡混凝土防渗板的合理抗裂厚度为8 cm。     

丹巴水电站引水隧洞衬砌结构安全与围岩稳定性分析

依托丹巴水电站引水隧洞工程,研究锚杆和衬砌对围岩稳定性的影响,进行了不同埋深下隧洞衬砌厚度的比选和衬砌的安全性分析、配筋和裂缝宽度验算等,考虑了不同衬砌施加时机对隧洞受力及位移的影响。研究发现,锚杆支护可使围岩塑性区分布更加均匀,受力更加合理,可较好的控制围岩变形;衬砌内最大压应力值随着埋深增加而增大,随着衬砌厚度增加而降低;提出了有效减压区,应在有效减压区选择衬砌厚度,衬砌厚度选1.5m为宜;在最危险工况下,给出了合理的配筋设计方案;经过不同位移量和不同模型下衬砌安全性的对比分析,衬砌加固选择85%的位移预留量,围岩的变形量和最大控制内力都可得到明显的控制。     

粉煤灰坝填筑压重和振动对下卧输水隧洞的影响

陕西一电厂的粉煤灰库区下部基岩内埋设有邻近水库的3~#输水隧洞,隧洞已建成且埋深较浅。粉煤灰坝填筑过程中的压重及碾压振动会引起下卧输水隧洞衬砌结构的围岩压力发生变化,从而对隧洞衬砌结构的安全造成威胁,需要评估。为此,利用ADINA建立隧洞衬砌结构的静、动力分析模型,分析粉煤灰坝填筑过程中的静力荷载作用及灰土、初期坝和各级子坝顶部振动碾压的静动力耦合作用对隧洞衬砌结构的影响,对静荷载作用下的隧洞衬砌结构进行偏压复核和剪压复核,并总结振动荷载下加速度幅值和竖向位移的空间分布规律。研究表明:随着粉煤灰的堆填,隧洞衬砌结构竖向位移和内力逐渐增大,其中,隧洞拱顶竖向位移最大,最大值达到了0.005 m,隧洞拱脚附近衬砌结构的轴力、剪力、弯矩最大;隧洞衬砌结构的轴向承载能力不符合要求,剪切承载能力符合要求;激振频率对振动加速度幅值的影响主要集中在40 m埋深范围内;动、静力荷载作用下隧洞衬砌结构最大值出现位置基本一致,静动力耦合作用下隧洞衬砌结构内力最大值为静力荷载作用下的1.01～1.09倍,静力荷载作用是影响隧洞衬砌结构内力的主要因素。     

公路隧道地震响应计算的拟静力法

鉴于对公路隧道抗震计算的简化算法迄今研究尚少,提出了一种适用于公路隧道地震响应计算的拟静力法。以Ⅳ级围岩中的双车道公路隧道为例,通过将衬砌结构视为弹性地基上的框架结构,将结构承受的水平地震力简化为作用在结构单元结点上的等效水平集中力,侧向地基弹性抗力假设为按倒三角形分布,墙底为零,拱顶为最大值,其值按与水平等效地震力平衡的原则确定。通过比选确定水平地震作用修正系数 η 的取值,即可由结构静力分析得到与结构动力响应分布图形相似、最大值十分接近的等效弯矩图,其相应的最大轴力值和最大剪力值,可通过由结构静力分析得到的内力图结果分别乘以轴力、剪力调整系数获得。提出的方法可供工程设计及公路隧道地震响应进一步研究参考。     

丹巴水电站引水隧洞开挖期围岩流变分

依托丹巴水电站引水隧洞开挖工程,考虑隧洞不同深度围岩的受力特点将围岩进行分区,把加载流变试验和卸载流变试验参数分别赋入,计算得到了隧洞围岩衬砌的弯矩与轴力分布,可作为衬砌厚度及配筋设计等方面的参考要素。给出了80%、85%预留量条件下的衬砌所受轴力,各向同性与横观各向同性本构计算出的最危险工况内力叠加,以便在考虑流变条件下的衬砌厚度选取。     

围岩与初期支护间缓冲层的大变形控制效果及合理厚度研究

以丽江至香格里拉铁路中义隧道为依托，采用数值计算的方法，结合试验段的现场监测资料，对在围岩和初期支护间设置缓冲层控制初期支护变形的效果及不同地应力侧压力系数下缓冲层的合理厚度进行了研究。研究表明:在围岩与初期支护间的边墙段设置合理厚度的高密度泡沫板（ＥＰＳ）可显著提高初期支护的稳定性，并使初期支护最大水平收敛、拱顶下沉减少１０％左右；中义隧道埋深在８００ｍ附近、发生严重大变形的区段，地应力侧压力系数小于０．９时，可不铺设缓冲层；地应力侧压力系数为１．０～１．３、１．３～１．５、１．５～１．７时，缓冲层的合理厚度分别为１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ。     

ABAQUS在输水隧洞衬砌结构计算中的应用

为研究输水隧洞在地震荷载作用下结构的受力变形规律,文章采用大型有限元软件ABAQUS,对输水隧洞在设计和地震两种工况下的应力及变形规律进行分析研究,得到以下结果:输水隧洞衬砌结构在两种工况下应力最大值均位于边墙与底板的交接位置,在交接处由于结构突变产生了应力集中,结构位移在底板的跨中位置最大,其次是顶拱位置,在边墙两侧呈对称分布;在地震荷载作用下,隧洞结构应力及变形情况均大于设计工况,在底板、边墙及拱顶交接处产生塑性变形并发生破坏,并向周围扩散,在设计中应在底板、边墙及拱顶交接处采取一定的措施来防止结构破坏。结果表明,有限元ABAQUS在隧洞衬砌结构计算中准确性高,设计成果符合工程实际情况。     

高压引水隧洞的有限元计算

钢筋混凝土高压引水圆型隧洞的设计与计算,其中一个重要的内容是用有限元模型正确模拟地应力,以判断在隧洞开挖后围岩的2次应力场中的应力是否仍大于内水压力在围岩中产生的主拉应力,围岩会不会出现水力劈裂现象?也就是说,要保证运行期间不发生水力劈裂,只有按内水压力作用下的三次应力场中不出现拉应力(或者拉应力远小于围岩的极限抗拉强度)来确定围岩的承载能力方能保证这一点.用变温应力场来模拟地应力能够获得合理的位移与应力计算结果.隧洞混凝土衬体的配筋是由裂缝开展宽度计算确定的.通过模拟钢筋的有限元模型的钢筋工作应力的计算结果来确定混凝土的缝宽,将能够较全面地考虑包括隧洞体型尺寸、围岩弹模与弹性抗力、混凝土标号、衬厚、配筋量以及高压固结灌浆的残余应力等诸因素的影响,合理地确定配筋量.     

潘口水电站无压泄洪隧洞衬砌计算

潘口水电站无压泄洪隧洞为城门洞形,采用基于结构力学原理的边值法对隧洞衬砌进行了计算。大型无压泄洪隧洞衬砌厚度主要由外水压力控制。该工程上游洞段设防渗帷幕,下游洞段顶拱设置排水孔,有效降低了隧洞的外水压力荷载,从而减小了衬砌结构厚度及配筋量。对类似工程的无压隧洞设计具有参考意义。