内水压力下水工隧洞衬砌与围岩承载特性研究

衬砌与围岩是水工隧洞的主要组成部分,内水压力是其承担的主要荷载之一。采用轴对称计算模型,以衬砌与围岩间接触应力状态为判断标准,研究了衬砌混凝土开裂前后围岩渗透系数、变形模量等材料参数对衬砌与围岩联合承载特性的影响,详细地介绍了透水衬砌的设计方法和计算过程,以混凝土最大裂缝宽度为控制标准,编制了透水衬砌结构计算与配筋设计程序,并给出了算例验证。计算结果表明,围岩渗透系数是隧洞结构设计的关键,与围岩变形模量具有同等重要作用;围岩透水性越差或变形模量越低,衬砌与围岩越容易脱开;与混凝土开裂前相比,混凝土开裂后,衬砌与围岩更容易脱开;与钢板衬砌方案相比,钢筋混凝土衬砌方案可以很大程度地减小钢材用量;建议高压钢筋混凝土衬砌隧洞设计、施工时,应尽可能地保持围岩的完整性,并进行细致周密的固结灌浆,以增强围岩抗渗能力。     

管道衬砌内水外渗对边坡稳定影响的数值模拟

根据钢筋混凝土受拉开裂特性，通过混凝土开裂后钢筋和混凝土联合承载原理，提出了在内水压作用下混凝土衬砌开裂的裂缝宽度估算公式。根据开裂衬砌内水外渗的规律，提出了高压管道内水外渗与混凝土衬砌裂缝宽度相互影响的有限元迭代计算分析方法。该方法将内水压荷载分解为起裂荷载和破坏荷载，对混凝土衬砌起裂荷载采用一次加载，对破坏荷载采用分级加载迭代，由此较好地反映衬砌开裂和渗流耦合作用效应。根据渗流荷载对边坡的破坏作用，提出了对边坡稳定判断的思路。通过对实际工程的分析计算，论证了高压管道内水外渗对边坡的稳定影响, 为内水外渗与应力场耦合分析提供了一种有效的计算方法。     

随机有限元法分析水工隧洞结构的可靠度

首次提出用平面等参随机有限元分析水工隧洞结构可靠度的方法，推导了有关公式，编写了计算程序，结合实例分析了衬砌和不衬砌隧洞的可靠度，并探讨了渗流场对隧洞结构可靠度的影响。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌非线性有限元分析

在已有岩土程序的基础上,考虑混凝土材料的开裂特性,增加了钢筋和混凝土开裂的模拟功能,编制了相应的非线性有限元计算程序,实现了塑性迭代和开裂迭代计算的耦合。结合某水电站导流隧洞的工程实例,进行了施工、运行和封堵全过程仿真分析。计算过程显示：本算法迭代计算稳定,收敛性好,满足精度要求。同时研究结果表明：运行期,混凝土衬砌的开裂范围、裂缝宽度和相应的钢筋应力随着衬砌与围岩之间初始缝隙值的增大而增大;封堵期,围岩塑性区随着外水位的增加而增大,需要采取相应的加固措施保证围岩稳定。     

基于热-水-力-损伤耦合数值模型的高地温水工高压隧洞围岩承载特性

针对高地温水工高压隧洞围岩的力学行为特点,在考虑岩体的渗透系数、热传导系数随岩体损伤发生变化的基础上,基于多物理场耦合理论,提出一种考虑硬岩强度力学参数劣化的含损伤演化的热-水-力-损伤耦合模型,并给出了该模型的FLAC3D数值实现方法。通过与物理模型试验结果对比,验证了模型的可靠性,进而利用该模型推演了高地温水工高压隧洞的多物理场耦合演化过程,分析了不同影响因素下的承载特性。研究结果表明：隧洞充水运行后,高地温水工高压隧洞的多场耦合效应显著,尤其高地温梯度和高内水压力联合作用下产生的迭加拉应力对围岩的承载安全具有不利影响;温度梯度、内水压力以及岩体线膨胀系数越大,隧洞围岩的损伤程度与开裂深度越大;当隧洞横断面的侧压力系数趋向于1时,洞周出现的宏观裂缝较多,且出现方位不确定;当隧洞横断面侧压力系数小于1/3时,洞周出现的宏观裂缝相对较少,且主要出现在与初始地应力的最大主应力方向相平行的方向上。常规锚喷支护对高地温水工高压隧洞的加固效果不佳。     

北京市南水北调工程水工隧洞初期支护方案研究

水工隧洞应用日趋广泛,如何确定水工隧洞初期支护方案是设计中的重点课题。以北京市南水北调配套工程南干渠工程为背景,通过现场试验确定水工隧洞支护施工配合比,然后对网喷混凝土支护及钢纤维喷射混凝土两种初期支护结构进行数值模拟研究,并结合现场监测及现场施工效果,进行浅埋水工隧洞支护方案研究。研究结果表明：采用钢纤维喷射混凝土支护与网喷混凝土支护相比,钢纤维喷射混凝土支护更能保证施工安全。研究成果对于类似隧洞设计及施工具有借鉴和参考价值。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌外水压力取值方法研究

外水压力是隧洞衬砌承受的主要荷载之一,也是控制其建设与运行或检修过程中衬砌结构安全的关键因素。目前外水压力的取值仍然以经验公式为主,存在很大的局限性和不准确性。首先分析对比了衬砌外水压力的折减系数法、理论解析方法和数值分析方法几种取值方法,然后进行了不同渗透环境和衬砌支护条件下的衬砌外水压力计算。结果表明,随着围岩渗透性和衬砌厚度的增大,衬砌外表面的水压力越大;对于渗流数值计算,模型范围应取距离隧洞中心不小于30倍洞径;考虑渗流场的时间效应,开挖完成10 d后隧洞的渗流场趋于稳定,衬砌支护20 d后衬砌外侧水压力分布趋于稳定。     

浅埋水工隧洞参数反演与安全影响评价

鉴于试验段工程地质条件复杂,现很难清晰地掌握主要土层特别是注浆加固土层的实际参数情况。基于隧洞施工过程中的动态监测数据,利用正交设计反分析方法对松散土层、注浆加固土层和初期支护的弹性模量进行了反演分析,并基于正交设计得到的最佳参数组合,评价隧洞开挖对既有燃气管线的安全性。反演得出的最佳参数组合为:初期支护的弹性模量为26000MPa,注浆加固土体为50MPa,松散土层为40MPa; 浅埋水工隧洞开挖对既有燃气管线的影响较小,既有燃气管线处于安全稳定状态。     

正交各向异性岩体中非圆形水工隧洞的解析解

将围岩和衬砌分别视作均质、连续的线弹性正交各向异性和各向同性体,并充分考虑衬砌的支护滞后效应和隧洞运行时的内水压力作用,运用复变函数方法中的幂级数解法,提出了正交各向异性岩体中任意形状水工隧洞的力学解析方法。以直墙半圆拱形水工隧洞为例,所获得的解析解可精确满足衬砌内边界的应力边界条件以及围岩与衬砌接触面的应力、位移连续条件,同时还将解析结果与ANSYS数值结果对比分析,吻合良好。利用获得的解析解,讨论了围岩开挖面上不同的各向异性程度、不同的弹性对称面角度以及隧洞内不同的水压荷载对衬砌以及围岩上应力和位移分布的影响。     

喷锚支护在水工隧洞施工中的应用浅说

简要地介绍了对水工地下洞室施工中对围岩不稳定体,即碎裂岩体、松动岩体、软弱结构面、楔形体结构面等围岩喷锚支护结构的作用,喷锚支护结构的使用。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。     

小三峡岩溶隧道围岩防突层安全厚度有限元分析

针对小三峡隧道岩溶发育的工程地质特征,采用有限元方法建立典型隧道断面数值计算模型,分析充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离时隧道围岩位移和塑性区变化规律,并结合围岩的位移变化情况和塑性区分布情况作为评价隧道围岩突水的判据,得出防止隧道围岩突水的岩层最小安全厚度。研究结果表明：在岩溶水压力作用下,当洞径比一定时,随着溶洞逐渐远离隧道,溶洞对隧道的影响在逐渐减弱;当间径比一定时,溶洞直径越大对隧道的影响越明显;同时根据围岩的位移和塑性区计算结果得到了隧道围岩最小防突厚度。研究成果可为小三峡隧道安全施工提供技术支撑。     

地铁区间隧道内爆炸效应研究

为了评估南京地铁区间隧道内爆炸破坏效应,利用有限元分析软件LS-DYNA3D软件,计算了10kgTNT距隧道底部距离为1.1m的内爆炸工况。该软件中的化学爆炸空气冲击波模拟关键字避开了复杂烦琐的欧拉计算和ALE耦合分析过程,使得模型构建大大简化。计算得到了结构中不同关键节点的位移与速度时程曲线与不同单元的加速度时程曲线和最大主应变。结果表明地铁区间隧道在10kgTNT内爆作用下是安全的。     

Seepage characteristics and mechanical response of shield tunnels under localized leakage and exosmosisEI北大核心

针对有压盾构隧道中接缝水力劣化所引发的内外水力交互渗流问题,基于水力开度理论,通过数值和解析方法研究局部渗流下隧道衬砌与周围地层的渗流特性和力学响应。结果表明:基于镜像法推导的衬砌隧洞多点渗漏下渗流场解析解与数值解吻合良好,验证了给出的局部渗漏数值模型的有效性;局部外水内渗与内水外渗诱发的衬砌与地层共同作用存在较大差异,前者导致局部孔隙水压力降低引起土体挤压衬砌,衬砌轴力减小而弯矩增大从而产生衬砌外凸,后者则相反;多点局部渗漏对渗流场和衬砌响应的影响存在耦合作用,当内水压接近地层水头时可能出现外水内渗与内水外渗并存的特殊水力交互情况;地层渗透系数对局部渗漏行为的影响较大,复合地层下当局部渗漏发生于高渗透性地层时,其诱发的衬砌响应不显著,当渗漏处于下部低渗透性地层时,在地层交界面存在渗流折射现象,上部高渗透性地层起到补(排)水作用。     

盘石水库泄洪洞、导流洞岩体工程地质特性研究

盘石水库泄洪洞、导流洞所涉及的岩体为寒武系下统灰、页岩互层层状岩体。其中页岩对洞室的稳定起决定作用。本文采用多种方法对洞室围岩特别是页岩进行了研究。取岩块,挖平洞、竖井做实验,研究其强度和变形特征,观察有无软弱夹层对洞室稳定的影响,在此基础上进行基本质量级别分级。进而分析、归纳出影响洞室稳定的主要因素及洞室设计力学参数,对同类工程具有类比和借鉴的意义。     

洞周岩体内裂纹水力劈裂临界水压分析计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水重要因素之一,对其破坏机制研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合扩展和压剪复合扩展。应用地下岩体复合失稳扩展判据分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹在隧洞洞周围的位置、方位变化规律进行分析。分析结果表明,在发生拉剪复合扩展情况下,裂纹方向与最大地应力方向平行时,最易失稳扩展;在压剪复合扩展情况下,裂纹与最大地应力夹角约介于30°～75°之间时,最易失稳扩展。     

公路隧道内轮廓形状的数值优化

以云南富广高速公路的老鹰咀隧道为实例,应用有限元数值方法对隧道砌衬的内力进行了模拟与分析。通过调整隧道仰拱和曲面墙的连接方式,来获取较为合理的隧道内轮廓形式。首先,基于围岩类型和初次衬砌的结构型式,建立了该隧道的数值模型,依据隧道规范实施加载,考虑了围岩的弹性抗力;然后,根据数值模拟结果,对原设计断面和添加了过渡圆的隧道断面的内力分布进行了讨论比较。优化结果为单洞大跨隧道的截面设计提供了理论依据。     

隧道与地表构筑物相互影响的研究

结合重庆某开发建设项目,采用2D-σ有限元结构分析程序,具体分析了4种典型分析计算状态下地下隧道围岩与地表构筑物地基中的应力演变规律。分析结果表明,地下隧道与地表构筑物之间将可能产生相互影响,其应力分布曲线在隧道附近都将产生较明显的突变,且将在隧道围岩中发生相对应力集中现象,在隧道侧墙处出现较大压应力,在隧道拱顶处将出现拉应力,地表构筑物地基对地表上部荷载的传递是向下逐渐扩散的,进而探讨了地下隧道与地表构筑物之间的相互影响问题。