盾构衬砌管片接头力学分析及双直线刚度模型研究

盾构管片接头弯曲刚度K? 是盾构衬砌结构计算中的一个重要参数。根据管片接头构造特征,在传力衬垫和弹性密封橡胶试验资料的基础上,对管片接头进行受力分析,得到管片接头弯曲刚度与接头内力的非线性关系。为了应用方便,建立了实用的管片接头弯曲刚度的双直线模型。该接头刚度模型为梁-弹簧模型法和修正惯用法中的关键参数确定提供了基础,管片的内力计算也更加合理。     

盾构衬砌管片环弯曲等效刚度的一种确定方法

文章根据修正惯用法和梁-弹簧模型法定性分析了由钢螺栓接头拼装而成的盾构衬砌管片环弯曲等效刚度的主要影响因素,并给出了目前我国盾构衬砌环的弯曲刚度的有效率η的一个拟合公式,公式的正确性通过模型试验的验证,有一定工程参考价值.     

泥水平衡盾构顶推力非线性动力学分析与应用研究

泥水平衡盾构开挖过程中常遇到盾构顶推力难以确定且波动复杂的问题。针对该问题,对盾构推进过程中所受阻力进行系统的分析,确定了阻力的组成部分和计算方法,改进了盾壳与周围土体间摩擦力的计算公式。分析泥水平衡盾构推进系统的组成和工作原理,基于盾构推力的静力学模型建立了单自由度动力学模型,根据能量守恒原理建立了系统的平衡微分方程,推导出盾构推力的非线性动力学公式。基于上述公式,分析了盾构推力的变化趋势和波动规律,确定了液压油缸的最佳行程距离。通过与武汉地铁8号线越江隧道长江穿越段盾构顶进推力的实测数据对比分析,验证了提出公式能够正确计算管片衬砌所受的动态顶推载荷,对衬砌结构内力分析具有重要意义。     

湛江湾高水头跨海盾构隧道管片结构典型断面受力计算与监测反馈分析

湛江湾隧道是目前国内最深的跨海盾构隧道,其管片采用斜螺栓连接,错缝拼装,分别采用修正惯用法及梁-弹簧法计算最大覆土断面与最大水深断面管片的受力,并将实测管片受力、水-土压力值与理论计算结果进行比较,分析水-土压力分布模式,结果表明,修正惯用法与梁-弹簧法均可以较好地模拟隧道管片的受力形态,而梁-弹簧法比修正惯用法更接近实测结果;管片呈压扁状态,梁-弹簧法结果受封顶块的位置影响较大;太沙基松弛土压力及水-土压力线性分布模式对深埋海底隧道是适用和安全的;对于本工程来说,管片外荷载以径向水压力为主,是影响管片轴力的主要因素。以上成果可为今后跨海高水头盾构隧道管片的设计及施工提供参考。     

考虑接头力学特性的盾构隧道衬砌结构计算方法研究

基于盾构隧道衬砌结构接头的构造特征,建立了接头的力学模型,将接头位置管片间的相互作用离散为一系列由剪切弹簧和法向弹簧组成的组合弹簧,根据得到的节点弹簧应力或法向位移在计算过程中动态调整弹簧刚度参数,将接头模型应用到衬砌结构计算中。该方法可以综合考虑衬砌结构的横向和纵向结构性能,计算管片和接头的内力与变形以及接缝的张开量。采用上海长江隧道衬砌结构整环试验结果对计算模型进行了验证,结果表明该模型能比较合理地模拟衬砌结构的变形特性。     

三种盾构管片配筋设计方法对比及现场实测分析

通过对比修正惯用法的解析解、ANSYS数值模拟解和ANSYS梁-弹簧模型法数值模拟解,结合东莞至惠州城际轨道交通工程DK97+898.238~DK100+897段管片内力现场实测结果,深入探讨各计算方法的合理性和准确性,并得出以下结论:修正惯用法解析解管片内力及配筋最大,修正惯用法数值解次之,梁-弹簧法数值解与现场实测反算值最小。修正惯用法解析解偏保守,容易造成设计配筋过大和浪费;建模较为复杂的梁-弹簧法及现场实测可反馈设计,其结果表明,修正惯用法数值模拟结果比解析解更接近工程实际,本工程内比解析法可节省配筋22.6%左右,且仍有富余量。     

盾构隧道衬砌管片接头弯曲刚度类指数模型研究

盾构隧道衬砌管片接头转动刚度是盾构隧道衬砌结构计算中的一个重要参数,在衬砌结构计算方法中接头弯曲刚度评估多依赖于经验公式和足尺寸接头试验。为了准确而快速地评估不同类型管片接头转动刚度,尝试通过建立接头部位的解析模型为接头转动刚度的确定提供理论依据。依据管片接头部位的结构特点,结合半刚性接头力学行为建立弯矩-转角关系,给出接头结构的一种新型数学物理模型的接头尺寸和材料参数表达。以长弯螺栓接头为例,对模型参数进行评估,并给出接头弯矩-转角关系曲线,模型区分接头张开前后不同状态。接头弯矩-转角力学行为研究表明,接头张开前接头弯矩和转角均与轴力呈正相关关系;接头尺寸和混凝土弹性模量参数增大可促使接头转动刚度提高;若轴力增大,接头弯矩承载能力将有所提高,且近似呈现线性关系。与经典接头模型(Janssen和Gladwell模型)和接头试验数据进行对比,验证所提出模型的准确性,且该模型具有普遍适用性。研究认为,管片接头的弯矩-转角力学行为刻画中,接头张开时刻转动角度、接头张开后转动刚度衰减速度以及接头所能承受的极限弯矩,将起到关键作用。文中模型能够为管片衬砌结构设计方法中关键参数-弯曲刚度的评估提供理论依据。     

推理公式法在土耳其小流域设计洪水计算中的适应性分析

为分析推理公式法在土耳其小流域设计洪水计算中的适应性,首先分析了土耳其常用洪水计算方法 DSI Synthetic Method在设计降雨、产流规律、汇流模型的水文特点,并将DSI Synthetic Method与我国常用的两类推理公式法进行比较,探讨土耳其降雨径流关系与推理公式法汇流模型相结合进行小流域洪水计算的方法,最后通过土耳其工程实例将该方法与DSI Synthetic Method设计洪水计算成果进行比较。研究结果表明,改进的推理公式法能够将土耳其的设计降雨、产流规律和推理公式法汇流模型相结合,设计洪水计算成果能够符合当地实际情况。     

砂性地层中地铁盾构隧道管片结构受力特征研究

以南京地铁一号线穿越砂性地层盾构隧道为研究对象,对管片环施工全过程和稳定期进行了现场系统研究。采用考虑结构与地层相互作用的梁-弹簧模型进行理论计算,探讨了砂性地层中盾尾注浆、土体应力松弛、水压力及拼装方式对管片环土水压力、纵缝张开量、内力等的分布和变化规律的影响,揭示了砂性地层中地铁盾构隧道管片环的结构性能及其与地层的相互作用特性,提出了适用于砂性地层条件下的地铁盾构隧道设计原则与方法。     

考虑衬砌截面协调变形约束的既有隧道受盾构下穿施工影响的Fourier能量变分解

目前关于新建盾构开挖诱发既有地铁隧道变形的理论研究,大多将既有隧道简化为不含接头的Euler-Bernoulli梁,而忽视了衬砌截面的剪切变形与管片接头的局部刚度削弱。此外,既有地基模型理论较少考虑衬砌管片与接触土体的协调变形约束。首先,采用Loganathan-Polous公式计算盾构开挖诱发的土体自由位移场,并将既有隧道视为考虑剪切变形的Timoshenko梁,基于沿轴线变化的抗弯与剪切刚度函数来描述管片接头的局部削弱作用;然后,结合能量变分原理与连续弹性体Mindlin解,建立考虑衬砌截面协同变形约束的隧道位移控制方程,将盾构开挖诱发的附加荷载施加于既有隧道,并使用Fourier级数方法求解既有隧道纵向变形;最后,将Fourier能量变分解与3组工程实测数据进行对比验证,取得了较好的一致性。此外,考虑隧道抗弯刚度、剪切刚度、接头刚度削弱作用、土体参数与隧道空间位置等因素的共同影响,使用抗弯系数、剪切系数及接头系数进行敏感性分析。结果表明,考虑截面变形协调约束的理论解更为符合实际,不考虑变形协调约束所得隧道位移结果偏大;衬砌接头局部刚度的削弱作用将造成隧道弯矩沿轴线在接头处发生明显...     

上软下硬岩质地层浅埋大跨隧道松动压力计算

针对现有方法在上软下硬岩质地层中浅埋大跨隧道松动压力计算方面存在的问题,通过离散元数值模拟和正交试验,分析了围岩的松动破坏机制、风化层厚度和岩体中节理分布状态对隧道松动区形状和范围的影响规律及敏感性。结果表明：影响松动区的主要因素依次为风化层厚度、隧道埋深、贯通倾斜节理的倾角和间距、风化层水平节理间距;松动区可分为拱形和塌穿形两种类型,其边界曲线分别可用抛物线和乘幂函数近似表示。针对塌穿形松动区,通过回归分析建立了地表松动宽度和拱顶松动土条水平长度的计算公式。按照应力传递原理,在松动区内以梯形微分岩土条为对象,通过分层积分,推导出可反映节理产状和风化层厚度影响的浅埋大跨隧道围岩松动压力计算公式。工程实例计算表明,与现有方法相比,所提方法计算的松动压力值最小。     

黄浦江风暴潮位、区间降雨量和上游来水量遭遇分析

分析了黄浦江水位的主要影响因子及其相关关系。建立了黄浦江吴淞口潮位与太湖地区降雨量的联合分布模型,计算出不同频率的吴淞口设计水痊与不同频率的太湖地区设计降十量及相应的黄浦江区间降雨量相遭遇的概率,并采用水动力学模型结合外包方法确定出相应组合频率下的黄浦江设计水面线,为上海市远期设防标准的确定提供决策支持,并为论证吴淞口建闸的必要性提供科学依据。     

刚性桩复合地基垫层对桩土应力比影响分析

从极限平衡理论角度对刚性桩复合地基中垫层作用机理进行分析,提出桩顶垫层厚度、垫层材料内摩擦角等参数对桩土应力分担的控制公式,推导出在已知表面应力情况下考虑桩土共同作用的桩土沉降计算公式,在此基础上提出一种桩土应力比的迭代计算方法。编制程序实现对算例的计算,总结分析计算结果并与实测值进行对比验证。     

电导率分块连续变化的二维MT有限元模拟（Ⅰ）

用有限元法进行电导率分块连续变化的二维大地电磁的模拟。本文第一部分给了有限元法系数矩阵的计算公式，可用于编制有限元法的计算程度。模型上的计算结果和计算精度的分析交城本文的第二部分介绍。     

非线性弹性模型的改进

本文在邓肯-张模型进行深入探讨的基础上,提出了切线模量实质物理意义是剪切模量的观点,并分别采用应力法和应变法推导了剪切模量和体积模量(或变形模量)公式,还进行了考虑Biot固结非线性弹性油罐地基有限元实例分析。对不同的变形模量计算方法进行了比较,提出了改进的非线性弹性模型。     

基于改进BP网络算法的隧洞围岩分类

围岩分类对指导地下工程的设计和施工具有非常重要的意义.引入人工神经网络的方法, 进行隧洞围岩分类, 在传统BP算法的基础上, 通过改进学习算法、优化传递函数和网络结构进行神经网络方法优化.采用附加动量法和学习速率自适应调整的策略改进学习算法, 使得当误差大于上临界值时, 则降低学习率, 当误差小于下临界值时, 则适当提高学习率, 这样可加快网络的训练速度, 确保网络的稳定性; 通过引入调整学习率参数, 使得传递过程更加敏感, 加快了传递函数的收敛速度, 提高了训练函数的计算精度; 通过给定隐含层节点模型的取值范围, 对网络结构进行优化, 提高了泛化精度.将改进的BP网络模型应用于广东省东深供水改造工程的隧洞围岩分类中, 分类结果与根据《水工隧洞设计规范(SL279-2002) 》的分类结果完全一致, 表明该方法具有良好的工程实用性.      

Initial stress formulae of high-order NMM and DDA for large deformation analysis

With high-order numerical manifold method (NMM) or high-order discontinuous deformation analysis method (DDA), computational accuracy of structure deformation can be improved greatly. However, poor accuracy is obtained and even computation is not convergent while treating large deformation problems, due to inaccurate or incorrect high-order initial stress formulae. Based on 2D triangular mathematical meshes and polynomial cover functions in high-order NMM, exact formulae for high-order initial stresses are deduced to depict configuration change of structures under large deformations. The formulae are expressed in polynomial forms so as to be used in simplex integrations. The approach is also extended to high-order DDA. Comparing with analytical solutions, accurate results for large deformation of a cantilever beam prove the validity of the proposed formulae.     

电导率分块连续变化的二维MT有限元模拟（Ⅱ）

用有限单元法进行电导率分块连续变化的二维大地电磁场的模拟，本文的第一部分给出有限单元法系数矩阵的计算公式，这部分给出四个模型的计算结果。在有限元中，分别采用双线性播值和双二次插值，计算结果与解析法或有限差分法进行对比，吻合得很好。算例表明，本方法具有计算精度高、网络剖分简单、模拟功能强的优点。     

Analysis of shield tunnel

This paper proposes a two‐dimensional finite element model for the analysis of shield tunnels by taking into account the construction process which is divided into four stages. The soil is assumed to behave as an elasto‐plastic medium whereas the shield is simulated by beam–joint discontinuous model in which curved beam elements and joint elements are used to model the segments and joints, respectively. As grout is usually injected to fill the gap between the lining and the soil, the property parameters of the grout are chosen in such a way that they can reflect the state of the grout at each stage. Furthermore, the contact condition between the soil and lining will change with the construction stage, and therefore, different stress‐releasing coefficients are used to account for the changes. To assess the accuracy that can be attained by the method in solving practical problems, the shield tunnelling in the No. 7 Subway Line Project in Osaka, Japan, is used as a case history for our study. The numerical results are compared with those measured in the field. The results presented in the paper show that the proposed numerical procedure can be used to effectively estimate the deformation, stresses and moments experienced by the surrounding soils and the concrete lining segments. The analysis and method presented in this paper can be considered to be useful for other subway construction projects involving shield tunnelling in soft soils. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.