隧道施工中地下管线与土层相互作用的理论与试验研究

随我国城市地下工程建设的深入，地下开挖临近和穿越地下管线的频率越来越高；同时，地下管线作为城市居民生产和生活的生命线，为了保障这一生命线的安全，迫切需要对地层荷载作用下地下管线变形和内力进行准确计算，做出科学的评估和判断，以减小地下工程建设对既有构筑物及城市居民生产和生活的影响。 研究了管线与土层的相互作用，建立了因隧道开挖引起的地下管线变形和内力的计算方法。完成的具体研究内容包括：考虑管土分离、轴向拉力和大变形，推导了地下管线变形的控制微分方程。对控制微分方程进行了近似解法和级数解法的求解，确定管土相对刚度系数的定义，提出划分刚性管线、弹性管线和柔性管线的刚度系数值。考虑不同隧道尺寸、不同管线埋深、不同管土相对刚度，进行了管线变形和受力的数值模拟。针对刚性、弹性和柔性三种类型管线，开展了管土相互作用的离心模型试验。选择北京地铁两个典型工点，实地测量了土层变形和管线变形。根据数值模拟、模型试验和现场实测结果，对理论模型进行了修改完善。 通过项目研究，就管土共同作用的规律，得出下列结论： (1) 在土层沉降曲线为Peck曲线的情况下，管线沉降曲线也符合Peck曲线。 (2) 轴力增加了管线抵抗竖向变形的能力，因此随变形的增大，管线沉降、弯矩和剪力的大变形解均比小变形解要小。 (3) 在管线和土层的沉降较小时，大变形解与小变形解基本相等；随着沉降的增加，管线轴力和一维度规呈非线性地增大，小变形解的计算误差也迅速增大。 (4) 根据管土刚度系数K判断管线的类型为：当K<0.1时，为柔性管线；当K>100时，为刚性管线；当0.1≤K≤100时，为弹性管线。 (5) 理论计算结果、数值模拟结果、离心模型试验结果及现场监测结果，具有很好的一致性。 通过项目研究更全面地掌握了管线与土层的相互作用规律，提高了地下管线计算方法的准确性和适用性。 2100433B

针对匀质和有接头两种地下管线，研究管线与土层的相互作用，建立因隧道开挖引起的地下管线变形和内力的计算方法。具体研究内容包括：考虑管土分离、轴向拉力和大变形，推导地下管线变形的控制微分方程。探求控制微分方程的解法，进行不同方法求解精度的比较。确定管土相对刚度系数的定义，提出划分刚性管线、弹性管线和柔性管线的刚度系数值。考虑不同隧道尺寸、不同管线埋深、不同管土相对刚度、不同管线与隧道轴线交角，对匀质管线和有接头管线进行变形和受力的数值模拟。针对刚性、弹性和柔性三种类型管线，开展管土相互作用的离心模型试验。选择典型地铁工点，实地测量土层变形和管线变形。根据数值模拟、模型试验和现场实测结果，对理论模型进行修改完善。本项目研究的意义在于更全面掌握管线与土层的相互作用规律，提高地下管线计算方法的准确性和适用性。

以高层建筑与地基基础动力相互作用这一问题为重点，主要研究：相互作用体系的动态相似理论；模型试验系统的设计和实现方法；考虑相互作用后模型试验时的输入；桩—土动力反应的量测方法和试验数据的分析；相互作用体系的动力分析理论和抗震设计方法。研究成果对于丰富和完善动力相似理论、提高我国高层建筑结构抗震设计水平具有重要的意义。 2100433B

由沈新普教授和黄志强副教授等所撰写的《混凝土断裂的理论与试验研究》一书是一本理论与试验并重的专著，书中介绍了利用层间界面准断裂力学和连续介质的弹性理论，采用物理试验、细观力学方法、数值计算方法和解析方法，深入研究了混凝土材料及混凝土结构的断裂失效问题。所得出的理论模型及试验结果可用于混凝土大坝等复杂且重要的混凝土结构的力学分析中，为这类工程结构的设计、施工和维护等提供参考。

本书是一本很有特色的专著，不仅具有重要的理论意义而且具有广泛的应用前景。本书主要有以下创新：

(1)结合混凝土准脆性断裂力学和固体塑性理论，提出了一种“分段线性塑性本构模型”，建立了考虑界面裂缝中的渗透水压影响的塑性加载条件。

(2)采用白光散斑数字成像技术，研究了混凝土试件在复合荷载作用下断裂的演化过程。

(3)采用数值方法，研究了给定尺寸的混凝土结构中损伤过程区的长度及其演化规律。2100433B

摘要 本项目主要采用振动台试验的方法，研究了纤维混凝土衬砌与围岩的地震动力相互作用规律，提出纤维混凝土作隧道抗震型衬砌思路。本项目主要研究内容包括： （1）通过纤维混凝土衬砌-围岩相互作用的地震模拟振动台试验，研究纤维混凝土中纤维等对纤维混凝土衬砌的破坏特征的影响规律； 基于相似理论，采用 5 m ×5 m 三向地震模拟振动台进行模型试验，通过输入不同大小的地震波，研究纤维混凝土衬砌在地震动力作用下的破坏特征，并探讨破坏机理。 试验结果表明：素混凝土衬砌抗拉强度低、脆性大，裂缝基本呈直线型，断口干净整齐，裂缝挤压处有明显掉块痕迹； 纤维混凝土具有限制裂缝发展和结构变形的能力；在地震动力作用下，纤维通过黏结应力能够使混凝土吸收更多能量，降低幅值，反应滞后，减轻了地震力对结构的破坏；纤维混凝土衬砌裂缝多呈锯齿形，挤压松散的小碎块通过纤维黏结在裂缝口。 （2）采用理论分析和数值模拟相结合的方法，建立了纤维混凝土损伤量化的模型，并基于通用程序研究了纤维混凝土加载速率相关动力损伤弹塑性本构模型。 弹塑性损伤模型按照损伤和塑性之间的不同关系，将损伤和弹性耦合在一起。通过损伤加载函数屈服函数来控制耗散，使用单一的损伤和屈服面，使问题大为简化。 采用加载速率相关动力损伤本构模型可以有效地将动力与静力损伤演化通过应力、应变的动力放大系数联系起来。 （3）结合高烈度区隧道设计，进行纤维混凝土隧道抗震型衬砌的设计。 本项目从理论及试验上研究了纤维混凝土作为隧道抗震型衬砌的可行性，并进行工程设计，本项目的研究成果可为高烈度地震区山岭隧道的抗减震技术提供重要参考。 2100433B