超大直径浅埋盾构隧道土压力实测分析及其计算方法适用性评价

以扬州瘦西湖隧道为工程依托,对超大直径盾构隧道管片荷载、结构内力等进行长期现场监测,分析超大直径浅埋盾构隧道土压力、管片钢筋应变的变化规律。采用上覆土柱法、太沙基松弛土压力法计算管片土压力理论计算值,并与现场实测结果对比,分析不同土压力计算方法在不同埋深条件下的适用范围。结果表明,盾构纠偏对隧道管片荷载大小、分布形式影响较大,且其影响一致持续至稳定期;盾构隧道施工结束后,作用在盾构管片上的土压力逐渐减小并趋于稳定;管片钢筋应变同土压力变化趋势基本一致,但进入稳定期时间略滞后于土压力,土压力进入稳定期后实测土压力值约为理论计算值的48%～60%;松弛土压力法计算的土压力值较上覆土柱法计算值和实测结果更为接近。研究成果可为盾构隧道管片设计荷载取值提供指导。     

四分量钻孔应变观测的时间滞后标定

经过四分量钻孔应变观测的实地相对标定[1]以后,将应变观测值与理论值进行拟合,使得观测值与理论值之间的相关性最大,发现观测值与理论值之间存在相位差。通过计算得出了相位差在时间上的表现形式,即时间滞后。我们计算了佘山、江宁、攀枝花、乐都、格尔木、湟源和门源7个台站的滞后时间,发现靠海较近的佘山和江宁台的体应变时间滞后分别为0.37和0.80小时,而其他5个内陆台站的体应变滞后时间大约在1.2～1.5小时以内,这可能说明海洋负荷潮对佘山和江宁的体应变影响较明显。各台站之间的差应变以及同一台站不同方向上的差应变都存在较大差异,个别台站的差应变出现相位超前的现象。     

可回收土钉墙支护结构体系施工工艺及受力研究

基于绿色环保与碳中和理念,提出一种可回收的土钉墙支护结构体系,对该体系构件及施工工艺流程进行了介绍,依托实际工程,探讨了1∶0.30、1∶0.50、1∶0.70支护坡比下土钉轴力、主动土压力的变化规律,分析了不同支护坡比对土钉轴力、主动土压力的影响,与规范中的修正公式计算出的理论值进行对比。研究表明,同一深度的主动土压力和土钉轴力随坡比增加而增加,同一坡比下的主动土压力和土钉轴力随深度增加而增加;主动土压力的实测值与计算值随深度变化呈现相同趋势,计算值略大于实测值,土钉轴力的实测值与计算值随深度变化亦呈现相同趋势,但计算值远大于实测值。     

某深基坑支护结构内力与变形研究

以某深基坑支护结构位移与内力监测为依据,并结合计算分析探讨了位移与内力大小的变化规律。实测表明：施加的锚杆预应力有10 %～25 % 的损失,在开挖过程中锚杆轴力增加约10 % 左右。钢支撑的轴力随开挖深度增加而增加,轴力大小、变化与开挖方式、速度及下层支撑的逐一拆除有关;支护桩的变形随桩深、支撑条件变化而变化。基坑顶部的水平位移以坑壁中央最大,靠端部位移较小。总的来说,理论分析与实测结果大体一致,但由于支护结构受力与变形的复杂性及施工的影响,使得理论计算值与实测值存在一定的差异。     

机械施工动荷载-采空区顶板失稳判据

针对机械施工荷载作用下采空区顶板失稳破坏具有突发性及受力过程复杂的特点,将机械施工荷载简化为移动简谐力,采用力学分析建立了机械施工荷载-采空区顶板力学模型。基于动力学理论,形成了机械施工荷载-采空区顶板的双尖点突变模型,由系统失稳的充分条件和必要条件,获得了机械施工荷载-采空区顶板失稳判据。基于能量原理,推导了机械施工荷载-采空区顶板总能量方程,根据系统临界失稳判据,构建了临界机械施工荷载计算模型。对建立的两种失稳判据分别进行实例验证,结果表明采用突变理论计算得到的理论状态与实测状态一致;采用能量原理计算得到的临界机械施工荷载理论值与实测值较吻合,平均误差为11. 01%。研究可为露天开采下机械施工荷载大小控制、采场结构参数设置、采空区失稳控制与治理等提供参考。     

某围护结构上土压力实例分析

对某公路大桥超深锚锭基础围护结构上实测的土压力、孔隙水压力分布及其位移变化规律进行了详细分析。围护结构上土压力的实测值远小于计算的主动土压力值,且随开挖加深而不断减少,变化规律也随土层分布的差异而有所不同,围护结构上的侧向位移随开挖加深不断减少,孔隙水压力的变化受坑外水位影响较大。     

简支组合梁滑移的分析计算

阐述了两点对称荷载作用下钢-混凝土简支组合梁截面沿高度应变变化规律的试验结果.利用弹性分析理论,建立适合于在跨中两点对称荷载作用下钢一混凝土简支组合梁交界面滑移的计算公式.结果表明,按照本文公式得到的计算值与实测值吻合良好.     

植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

为探究植入式光纤传感器与隧道衬砌的应变传递的边界效应,分别从理论、试验和现场应用3个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤在混凝土衬砌中的应变传递模型,进行光纤应变传递机制分析,计算了光纤应变传递效率,并与数值计算结果对比,验证了力学计算模型的准确性。使用钢筋混凝土梁模拟隧道的混凝土衬砌,在其表面植入分布式光纤,进行了2组试验。对试验梁进行分级加载并使用BOFDA技术对光纤进行测试。试验结果表明：植入式光纤传感器存在边界效应,结构两端为光纤的低效率应变传递区,不能完全传递试验梁的应变;试验梁中部为光纤的高效率应变传递区,能够完全传递试验梁的应变。基于以上研究成果,在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间,采用植入式工艺在隧道衬砌内布设了分布式光纤传感器,进行了工程应用研究。监测结果表明,边界效应对工程监测结果影响很小,分布埋入式光纤布设工艺是可行的。该研究可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供参考。     

基于Buckingham模型和Biot-Stoll模型的南沙海域沉积物声速分布特征

为了选择合理的南海南部海底沉积物的声速反演模型,分别利用Wood方程、Buckingham模型、Biot-Stoll模型等声波传播理论模型计算了沉积物的纵波声速,结合沉积物实测声速和物理参数等,对比了模型计算声速与实测声速的变化特征。声速实测值与模型计算值的对比表明,Buckingham模型计算值与实测值的平均偏差最小。研究区实测声速比和模型计算声速比的分布表明,声速的变化特征与沉积环境具有相关性,声速模型计算值与实测值具有相似的变化特征;模型计算声速与实测声速的垂向变化规律不相同,模型计算声速随深度基本不变,而实测声速在陆架、陆坡和海槽等沉积环境中呈现出多种垂向分布特征。研究结果认为,侧重于沉积物孔隙性的Biot-Stoll理论仅适用于陆架区粗颗粒沉积物,兼具流体和弹性固体双重性质的Buckingham理论具有更广的适用范围。该研究对获取南海南部海域沉积物声速分布特征有重要意义,可为多波束测深或浅地层精细解释等提供基础资料。     

路堤荷载下碎石桩处理软基沉降计算

以沉降控制为目的的碎石桩复合地基,其沉降计算在设计、施工中具有重要地位。本文基于典型的桩土单元体模型,建立了复合地基体积压缩系数与复合地基弹性模量的关系,考虑施工中的时间因素及相应的固结度对沉降的影响,提出相应的沉降计算公式,并结合四川省遂-资高速公路软基变形监测的数据进一步验证其可行性。研究表明本算法计算值比实测沉降约大10% ～20%。填筑过程中,计算沉降历时曲线与实测曲线拟合较好,更接近实测值;在此基础上,初步探讨了影响路堤荷载下碎石桩处理软基沉降变化的因素,得出桩径、桩间距对其影响较为明显。同时结合本例,建议布桩时桩间距与桩径比值最好控制在2～4之间。     

顶管推进对邻近桩基的影响分析

研究了顶管正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力在邻近桩基上引起的总的附加荷载的分布规律。研究结果表明,附加荷载的变化规律与桩基和掘进机的相对位置密切相关,是一个三维问题;在顶进方向和垂直于管壁方向,随着掘进机开挖面通过前后,附加荷载由压力变为拉力,顶进方向的附加荷载值和影响范围较垂直于管壁方向大;竖直方向的附加荷载较小,靠近管道轴线附近的桩基部位受到的附加荷载方向与两端相反,曲线呈“弓”型分布;随着桩基与管道距离的减小,附加荷载急剧增大。     

A Theoretical Model for the Circumferential Strain of Immersed Tunnel Elements Under Tidal Load

In this paper, we assumed that the soil layer back-silted on the surface of the river bottom was impermeable. The tidal load was treated as a large-area overload periodically applied on the silt soil layer. Taking into account the coupling loading of the water and soil, we built a model to calculate the circumferential strain of the immersed tunnel elements. By using MIDAS GTS NX finite element software, we calculated the circumferential strain in the tunnel wall direction under a tidal load. The circumferential strains of the tunnel elements in the Zhoushan immersed tunnel were continuously monitored using fiber Bragg grating sensors for 24 h. The circumferential strain increments at each monitoring position were calculated based on the change of the tide level. The results were compared with the measured increments of the circumferential strains. Based on these data, we summarized the variation pattern of the circumferential strain increments under a periodic tidal load. In addition, in this paper, we calculated the total circumferential strain distribution in the inner and outer walls in different cross-sections of the tunnel elements and identified positions that should be monitored with extra care. The results show that the calculated circumferential strain increments at each measuring position of the tunnel elements are in good agreement with the measured values. This demonstrates that the theoretical calculation model is reliable. In cross-sections of the same tunnel element, the time-dependence curves of the measured circumferential strain increments at the symmetrical measurement points are approximately consistent with each other. Tidal load-induced strain accounts for approximately 12–15% of the total strain. The correlation between circumferential strain over a cross-section and tidal level depends on the constraints on both sides of the cross-section, and stronger constraints result in weaker correlations. It is important to note that tensile strain is large along the inner wall of the middle portion of the top and bottom plates as well as along the outer wall of the sides of the bottom plate.     

铝合金钻杆与钢接头可靠连接过盈量的计算及组装工艺

铝合金钻杆具有密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优点,但其耐磨性较低。实际使用时,将铝合金钻杆杆体与钢接头组装在一起形成钻杆柱,由钢接头来承受拧卸操作。由于铝合金与钢在弹性模量、热膨胀系数、屈服强度等方面的差异,经常出现连接不可靠的情况。针对饱147 mm ×13 mm的内加厚铝合金钻杆进行过盈量的理论计算,得出满足传递载荷及材料不产生塑性变形的过盈量范围是0.712～1.009 mm。同时对钻杆杆体及钢接头的组装工艺进行介绍。     

3D打印交叉节理试件力学破裂特性研究

交叉节理普遍存在于实际岩体中,但其对岩体力学破裂特性的影响至今未有全面深入的研究。制作了含3D打印交叉节理试样,采用声发射、CT扫描技术和数字图像相关技术(DIC)分析手段对单轴条件下含交叉节理试样的力学及破裂特性进行了研究。研究结果表明:(1)主节理倾角较小时裂隙的分形维数DB与单轴强度、弹性模量和泊松比之间的变化关系比主节理倾角较大时的一致性更好,前者破裂模式的规律性好于后者。(2)主节理倾角较大时压密和弹性阶段节理和块体之间在张拉作用下会产生聚集性微破裂声发射事件,主节理倾角较小时不会产生这种现象。DIC应变云图中裂隙扩展路径上的微应变先于宏观破裂,可通过计算压缩条件下微应变最大区域预测破裂模式。(3)主节理对起裂角和裂隙扩展模式起主要作用,且声发射和分形特性具有统一性。次节理平行最大主应力时,总损伤主要由主节理扩展造成,累积声发射事件数量AAEE和DB均最大。AAEE和DB越大,破裂模式越复杂。(4)三维破裂模式以节理端部扩展产生的2~3个张拉翼裂隙面为主,内部三维宏观裂隙面上存在由不完全张拉破裂引起的非连续结构。     

斜入射线弹性节理应力波传播特征的数值模拟

依据弹性波理论,应力波斜入射线弹性节理时会发生波场分解。根据入射、透射及反射各波形的不同到时,运用离散元软件UDEC模拟应力波在含倾斜节理岩体中的传播并计算其透射、反射系数,并分析其波型转换规律。应力波斜入射单节理时,模拟得到的透射、反射系数随节理刚度、入射角度的变化规律,与已有的理论解是吻合的。应力波斜入射一组平行节理时,随着节理间距的增大,其同类波的透射系数Tpp、Tss先增大后减小,最后趋于稳定值;节理条数越多,Tpp、Tss越小。此外,不同条数的节理,透射系数达到最大值的临界节理间距值基本一致,但趋于稳定时的节理间距值随节理条数的增加而逐渐增大。     

考虑接缝影响的地下综合管廊振动台模型试验

地下综合管廊属于浅埋狭长型结构，变形缝存在较为普遍，而在地震荷载作用下，其会对地下结构的振动响应产生一定影响，但是目前针对该问题的研究却十分有限。基于振动台模型试验并考虑接缝的影响，开展了不同波形、不同峰值加速度地震波激励下的综合管廊地震响应特征研究，对场地加速度、动土压力以及管廊结构加速度、位移、动应变和弯矩等响应进行了测试和分析。试验结果表明：管廊振动主要受周边土体影响，接缝截面边墙在地震过程中与土体发生脱离，但管廊结构整体性保持良好；管廊接缝在强震下位移较小，不会发生大变形破坏；强震作用下动土压力分布呈非线性特征；接缝截面在地震中受到的弯矩作用小于中部截面，对抗震性能有利。     

Importance of Tensile Strength on the Shear Behavior of Discontinuities

In this study, the shear behavior of discontinuities possessing two different rock wall types with distinct separate compressive strengths was investigated. The designed profiles consisted of regular artificial joints molded by five types of plaster mortars, each representing a distinct uniaxial compressive strength. The compressive strengths of plaster specimens ranged from 5.9 to 19.5 MPa. These specimens were molded considering a regular triangular asperity profile and were designed so as to achieve joint walls with different strength material combinations. The results showed that the shear behavior of discontinuities possessing different joint wall compressive strengths (DDJCS) tested under constant normal load (CNL) conditions is the same as those possessing identical joint wall strengths, but the shear strength of DDJCS is governed by minor joint wall compressive strength. In addition, it was measured that the predicted values obtained by Barton’s empirical criterion are greater than the experimental results. The finding indicates that there is a correlation between the joint roughness coefficient (JRC), normal stress, and mechanical strength. It was observed that the mode of failure of asperities is either pure tensile, pure shear, or a combination of both. Therefore, Barton’s strength criterion, which considers the compressive strength of joint walls, was modified by substituting the compressive strength with the tensile strength. The validity of the modified criterion was examined by the comparison of the predicted shear values with the laboratory shear test results reported by Grasselli (Ph.D. thesis n.2404, Civil Engineering Department, EPFL, Lausanne, Switzerland, 2001). These comparisons infer that the modified criterion can predict the shear strength of joints more precisely.     

增强型管桩和普通管桩受力性能试验对比研究

通过对桩身预埋有混凝土应变计的普通光圆预应力管桩和增强型预应力管桩的静载对比试验,比较了两种桩的荷载-沉降曲线、桩身轴力分布情况、桩侧摩阻力及桩端阻力的发挥性状,研究了增强型管桩荷载传递规律及桩身环向凸肋的荷载分担情况.结果表明,由于环向凸肋的存在,使增强型管桩在桩周形成的剪切破坏面比普通管桩更大,从而提高了增强型管桩的承载能力.在最大试验荷载作用时,增强型管桩的侧摩阻力要比普通管桩高27.4％～39.5％.     

抗滑桩应变特征与内力非线性研究

为探究抗滑桩实际内力与变形间的规律,特别是桩土相互作用下桩体受力、变形、稳定性等特征,通过抗滑桩大型物理模型试验,结合MATLAB拟合推导实现从桩表面应变散点数据到桩身挠度分布的求解。对比同桩长不同加载条件与同加载条件不同桩长两种情况下桩表面应变、桩身弯矩、剪力及挠度,分析抗滑桩的应变特征与内力变化规律。研究表明:单调与循环加载条件下抗滑桩工作阶段划分为三阶段,即未开裂阶段、混凝土开裂-钢筋屈服阶段、钢筋屈服-桩体破坏阶段。未开裂阶段一、二级荷载下由于土的压密性桩体略微回弹,桩表面应变、桩身弯矩、受荷段剪力及挠度出现较小的负值（绝对值约为破坏时的1%）。混凝土开裂-钢筋屈服阶段应变、弯矩、剪力、挠度增速明显加快。钢筋屈服-桩体破坏阶段应变、弯矩、剪力、挠度呈非线性增长,桩体的破坏模式均为弯剪破坏。随着自由端长度的增加,破坏时应变、弯矩增大,而剪力减小,破坏时应变增长约10%,弯矩增长约3%,剪力减少约20%;相对于单调加载,循环加载下最大弯矩值和最大挠度均有增大,最大弯矩增长约2%,最大挠度增长约1%。     

节理岩体动态破坏的SHPB相似材料试验研究

采用相似材料模型试验对不同节理倾角、节理贯通度、节理条数、载荷应变率、节理充填物厚度、节理充填物类型及试件长径比等7种工况下的节理岩体动态强度及破坏模式进行了分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验研究。结果表明：节理岩体动态破坏模式及强度与节理构造形态密切相关。对于单节理岩体,其强度及破坏特征在很大程度上受节理倾角控制,节理倾角0°、90°试件动强度分别为完整试件的90%和71%,且其破坏形式均为张拉破坏;倾角60°试件动强度几乎为0;倾角30°、45°试件的动强度分别为完整试件的50%和18%,且其破坏以剪切破坏为主,兼有张拉破坏。中心1/4、1/2、4/5及全贯通节理试件的峰值强度分别为完整试件的95%、74% 、28%和17%,即随节理贯通度增加,试件动强度逐渐降低。含1~3条节理的试件动强度分别为完整试件的54%、23%和10%,即随节理条数增加,试件动强度随之有较大幅度降低,但节理条数的增加并没有改变其破坏模式。随着节理充填物厚度增加及节理充填物强度降低,试件强度依次递减,但破坏模式并没有改变。完整试件和节理试件的动强度均随着载荷应变率的增加而变大,且前者对载荷应变率的敏感性要远远高于后者,相应地试件的破坏模式也变得更加复杂。两类试件的动强度均随着试件长径比的增加先增大后减小,即存在一个最佳长径比。