内表面补强对缺陷病害隧道结构承载力影响的模型试验研究

文章以重庆市在建的笔架山隧道为原型,采用几何比为1∶25的大比例做室内模型试验。选取不同围岩类别、不同地应力场及相同缺陷条件下,进行加载试验至结构产生病害后采取补强措施,再加载至结构破坏。对于软弱围岩,锚杆补强能增强拱墙结构的承载力,同时也能取得控制结构位移的效果。锚杆的补强作用在硬岩中则表现的非常充分,在硬岩中随着锚杆数量的增加,其补强的病害隧道结构承载力明显提高。同时锚杆补强应与其他补强方式联合使用,以充分发挥各自的补强效果。

以重庆市在建的笔架山隧道为现场原型,室内采用几何比为1∶25的大比例模型试验,选取不同围岩类别、不同地应力场及不同缺陷形式条件下,进行加载试验至结构产生病害后,采取不同的组合补强措施,再加载至结构破坏,重点对各种不同条件下,补强后结构的最终破坏形式、承载力状况进行研究,得出对于无空洞缺陷或无衬砌减薄的病害隧道,应根据结构是以受拉或是以受压产生的病害来决定内表面的补强形式,然后再结合锚杆补强的组合补强方式;对于有空洞或有衬砌减薄缺陷的隧道结构,补强时首先是进行回填压注,然后再与内衬.拱架+锚杆补强或与内表面补强+锚杆补强两种补强方式合用。而对于无仰拱病害隧道的补强,对两个拱脚应做特别处理,内表面采用内衬.拱架补强时应施作基础,否则采用注浆和打锁脚锚杆的方式加固。

在隧道的建设过程中,因地质条件、施工等因素的影响在衬砌背后留有空洞的现象是比较普遍的,为了研究这种隧道病害对衬砌结构承载力造成的影响大小及对不同病害工况条件下衬砌结构受力破坏特征,通过对重庆某高速公路隧道典型断面因施工或环境原因造成二衬背后空洞的结构缺陷情况,在室内采用几何比为1∶25的大比例模型试验,全面研究结构在不同围岩条件下、不同空洞位置以及不同地应力场(塑性地压、偏压及围岩松弛的垂直地压)作用下,隧道产生病害的形式、规律以及承载力的大小。同时采用相同的补强形式加固隧道结构,再进行破坏试验,最终得出空洞对结构承载力的影响是明显的,相同条件下,围岩类别越高,其承载能力越大,空洞对水平应力敏感,在水平应力为主应力时,拱顶空洞的影响大于拱腰空洞的影响;竖直应力作用为主的地应力场,产生病害时对应的竖直荷载高低排序为:无缺陷时最高,中等空洞最低。

采用模型试验的方法研究了砂土地基中基坑开挖对抗拔桩极限承载力的影响,试验过程中考虑了基坑开挖直径、开挖深度及坑底以下有效桩长不同的情况,共进行19组试验。试验结果表明:开挖深度相同时,基坑开挖直径越大,抗拔桩极限承载力下降越多,开挖直径为30cm(10d)时,抗拔桩极限承载力较开挖前有明显下降,随着开挖直径的继续增加,极限承载力继续下降,但下降幅度逐渐减小,并趋于一个稳定值;开挖深度相同时,坑底以下有效桩长越短,开挖后抗拔桩极限承载力损失比例越大;开挖卸荷后坑内土体处于超固结状态,抗拔桩极限承载力大于土体为正常固结状态时,开挖深度相同时,坑底以下抗拔桩长度越短,开挖后桩周土体超固结比越大,抗拔桩极限承载力与土体正常固结状态相比增加比例越大;坑底以下有效桩长相同时,开挖深度越大,开挖后桩周土体超固结比越大,抗拔桩极限承载力也越大。

本文通过上海典型地质条件下的盾构隧道结构的相似模型试验量测的模型结构纵向位移分布和纵向的地基土反力(土压力)的分布与结构原型相应理论结果的对比分析,表明尽管理论值比试验值大,但两者的规律相同,通过适当调整局部均布荷载作用下弹性地基梁解析解完全可以满足纵向设计需要,为局部均布荷载作用下软土盾构隧道结构在设计阶段就考虑避免和减小地铁隧道结构运营阶段出现纵缝过量变形所致的渗水、漏水、纵向开裂等既增加运营维护费用又影响地铁安全的问题奠定了基础。

为探讨高速铁路隧道衬砌结构在列车振动荷载长期作用下的动力累积损伤特征,阐述混凝土结构动力相似材料模型试验原理,以武广高速铁路金沙洲隧道为原型,利用微粒混凝土作为相似材料,构建隧道与围岩动力相互作用全断面试验模型,施加高速列车振动荷载对相似材料模型进行动力累积损伤试验;试验过程中同步测试隧道衬砌结构各特征点动应变、超声波速度以及隧道底部围岩接触应力的时程响应数据,分析隧道衬砌结构动力响应特征与累积损伤规律。得出了在设计使用寿命期内,高速列车振动荷载长期作用下,隧道衬砌结构动力累积损伤效应不明显,而隧道底部围岩累积损伤破坏则应引起足够重视等研究结论。

竖向加筋砂土地基承载力的模型试验研究——采用模型试验结合数字照相无标点变形量测技术对竖向加筋砂土条形地基的承载力、土压力分布、加筋机理、破坏模式等方面进行了实验研究．结果表明，竖向加筋体长度与加筋体距基础中心点距离对承载力与土压力分布影响较大...

成层土地基基础极限承载力的模型试验研究——本文通过大量的室内模型试验对地基土体分层情况下基础的极限承载力进行了试验研究，得到成层土地基极限承载力的大小与持力层土体强度、厚度的变化规律；并且根据试验结果分别对港口工程和土木工程中常用的迈耶霍夫和...

以密实中砂作为地基土,进行了基础两侧无超载和仅单侧超载的地基模型载荷试验,研究了单边超载作用对地基承载特性的影响;主要分析了单边超载作用下的地基承载力、地基土应力分布以及地基破坏模式。结果表明:与无超载试验相比较,在单边超载作用下地基极限承载力得到明显提高,地基沉降量随之减少;地基土竖向应力分布情况不再对称,而是在有超载一侧有所增加;地基破坏模式为非对称形式,横向破坏区域长度较短,地基土隆起亦较小。

本文通过大量的室内模型试验对地基土体分层情况下基础的极限承载力进行了试验研究,得到成层土地基极限承载力的大小与持力层土体强度、厚度的变化规律;并且根据试验结果分别对港口工程和土木工程中常用的迈耶霍夫和汉纳的理论计算方法、汉森加权平均法、扩散角法以及魏锡克的理论计算方法这四种成层土地基极限承载力计算方法进行了验证。其结果表明对于成层土地基基础极限承载力的理论计算,由魏锡克和迈耶霍夫的理论所得的计算结果与试验测量值最接近。最后运用有限元的方法对成层土条件下地基土体的变形及位移情况进行了模拟计算进一步验证了魏锡克理论的合理性。

结合某海上风电场桩基工程中的大直径超长钢管桩抗拔承载力研究,利用离心模拟技术,初步推求得出荷载-位移的关系曲线(即q-s曲线),并与现场抗拔试验成果得出的q-s曲线进行了比较,分析两者加载方式和加载速率的不同对q-s曲线的影响。结果发现,上拔力的加载速率较快,求得的单桩抗拔极限承载力偏高。

砼强度缺陷对小箱梁承载力影响的试验研究——为确定砼强度缺陷对小箱梁承载力的影响，对存在砼强度缺陷的某连续梁桥箱梁进行静载试验，并与理论计算进行对比。理论计算和静载试验结果对比表明，该缺陷对小箱梁的承载能力影响较小，能够满足设计要求。

饱和砂土地层中隧道结构可能会因地震地基液化而发生破坏。通过对可液化地层中地铁隧道结构的地震反应进行动力离心模型试验,研究了饱和松砂地基在地震作用下的反应特性、可液化地层中地铁隧道结构的上浮及变形特性和设置截断墙对限制隧道结构上浮的效果等问题。研究结果表明,地基液化引起的隧道衬砌上的附加变形内力以及隧道上浮量主要受地基液化时土水压力的变化影响。截断墙的设置限制了隧道两侧土体向隧道下方流动的趋势,有效减小了隧道结构的上浮量。

为研究常见小型溶洞引起的隧道稳定性问题,结合工程实例,应用有限元方法,分析全断面开挖时,ⅱ类溶洞处于隧道不同位置对围岩位移和隧道结构受力的影响。结合实测数据对比分析,总结围岩位移和衬砌受力变化的规律和原因。模拟结果表明,隧底溶洞距离为1m时,仰拱轴力增加21%,其余部分变化微弱;侧壁溶洞距离为1m时,边墙轴力增加14.8%,其余部分变化微弱;隧顶溶洞距离为1m时,拱顶轴力增加10%,其余部分变化微弱。实测数据和模拟结果表明,溶洞位置对于收敛值的影响,隧底溶洞>隧顶溶洞>侧壁溶洞,溶洞位置对于沉降值的影响,侧壁溶洞>隧顶溶洞>隧底溶洞。溶洞范围较小(r2m)或相对距离较远(l5m)的情况下,衬砌安全系数满足要求,可不予处治。

湿陷性黄土桩基现场浸水试验一般情况下是先浸水然后等到黄土的湿陷性彻底发挥以后再加载使桩土体系沉降,最后趋于稳定的状态,在桩基正常使用过程中由于雨雪等原因桩基也会遇到先加载后浸水的情况。为了探究两种浸水工况对桩基承载特性的影响,设计了室内桩土模型试验。结果表明:与桩土体系先加载后浸水相比,先浸水后加载时桩基中性点位置提高,中性点位置随着浸水量的增大沿桩身向下移动,桩侧负摩阻力极大值增大46%,负摩阻力极值点沿桩身下降170mm,桩基正摩阻力极大值提高46%,正摩阻力极值点沿桩身上升70mm；两种浸水工况下的桩身轴力沿埋深的变化趋势都是先增大后减小的抛物线形；桩周土体在未浸水和先浸水后加载两种工况下的桩基极限承载力一样大。

文章以洛湛线北岗隧道为背景，开展针对富水软岩隧道的室内模型试验，对开挖支护后围岩的变形及应力的变化规律进行研究。结果表明：富水软岩隧道自身稳定性差，施工中必须设计足够强的支护结构，才能保持洞室的稳定性。支护结构对洞室围岩近处变形及应力的影响比远处显著；且支护结构越强，能显著减小洞室周边围岩变形量及应力的变化量。

表面波法确定卵石土地基承载力模型研究——利用统计学的原理，对卵石土地基动力触探击数和剪切波速的关系进行了研究，推导了它们之间的二次多项式、幂函数和指数函数回归方程。通过对比研究发现，二者之间具有良好的指数函数相关关系。为了验证该指数函数回归模...

采用足尺试验的方法对复合腔体加固盾构隧道整环极限承载力的力学特性进行研究,试验模拟盾构隧道在上部堆载作用下的静力加载试验,通过分析结构整体的受力过程、破坏模式和极限承载能力等,总结出复合腔体加固方法作用下的结构力学性能及结构破坏的关键性能点。试验结果表明:复合腔体加固方法可以有效的提高盾构隧道的极限承载能力和刚度。该加固方法具有快速轻型的特点,这将是未来盾构隧道整环加固的一个全新方法。

对7个场地的残积土进行室内土工试验,得到天然状态及饱和状态下土的物理、力学指标,应用地基规范公式及terzaghi极限承载力公式,分析地下水的状态对残积土地基承载力的影响,得到残积土浸水或泡水后承载力下降幅度可达1.4％～60.7％,通过12台残积土地基平板载荷试验成果,验证了残积土经短时浸泡及较长时间泡水后,地基承载力特征值明显降低,下降幅度达到11％～57.5％.

桩的承载力大小是确保桩基础经济、安全的关键参数,单桩承载力的的提高能有效降低工程成本。桩侧注浆可提高桩周土的物理性能,有效提高桩侧摩阻力和桩端阻力,在满足工程质量要求的前提下有效降低工程成本。本文结合一工程实例,通过钢管桩外侧有无注浆两种工况下静载荷试验结果对比,为注浆法提高单桩轴向抗压极限承载力的效果提供数据支撑,为桩侧注浆的应用推广提供参考。

基于锚桩加载法承载力现场试验工程实例,通过建立有限元模型,并与试验实测结果进行对比分析,得出了锚桩的布置形式、锚桩与试桩距离大小、锚桩直径大小等因素对试桩极限承载力的影响规律,对指导锚桩法在桩基静载试验中的应用具有重要意义.

目前针对松动荷载作用下隧道结构受力变形与损伤演化机制的研究相对较少,缺乏结构剩余承载力的量化分析依据,不利于结构健康度评价与维修处治方案的确定。针对上述问题,利用室内模型试验及数值仿真手段,研究不同围岩条件下结构受力变形规律及破坏特征,提炼结构健康评价关键指标,建立基于承载力的健康度分级标准。通过研究,提出:(1)拱顶松动荷载下衬砌破坏过程分为3个阶段,以拱顶开裂、主裂缝张开为分界点,破坏时拱顶内侧、拱腰外侧钢筋拉断,形成三铰拱体系；(2)衬砌结构承受相同荷载100kpa时,抗力系数1.58mpa/m的工况拱顶下沉3.3cm,抗力系数200mpa/m的工况拱顶下沉0.23cm；抗力系数从1.58mpa/m增大到200mpa/m时,极限承载力从196kpa增大到1840kpa；(3)以衬砌开裂、拱顶下沉3cm、拱顶钢筋屈服、拱腰钢筋屈服、拱顶钢筋拉断为关键节点,建立衬砌结构健康度的5级划分标准,并以拱顶下沉及边墙收敛作为简易评价指标,对v～vi级围岩,拱顶下沉控制值建议取5cm。