高铁列车运营下邻近矿区深竖井衬砌的动载影响

根据动力学理论,建立考虑山体、竖井、合福客专的数值模型,研究高铁列车运营下竖井衬砌的位移、应力的响应特性。结果表明:随着列车速度的降低,竖井衬砌竖向位移、水平位移及应力都减小,只是沿着竖井深度方向减小的幅度不一样;同时降低车速,对降低竖井衬砌的附加动竖向位移和附加动竖向应力更有效。在竖井顶部靠近山表的位置,此处为自由表面,水平位移、竖向位移等动力响应较大。列车交会下的竖井衬砌的竖向位移和竖向应力较单线行车下有显著的增大,特别是竖井井口及其以下200m深度的范围。     

单圆双线地铁隧道基底粉细砂层动力响应分析

以南京地铁10号线过江段江北大堤附近典型截面为例,分别考虑了单线通行工况与会车8s、会车12s及会车16s3种典型会车工况,建立了隧道-土体有限元模型,分析了单圆双线隧道基底粉细砂层动力响应。结果表明,隧道基底粉细砂层加速度峰值随垂直深度增加而呈指数型衰减,到达23m深度时,4种工况加速度峰值已非常接近。基底下卧层土体最大位移随深度呈线性减小趋势,考虑各工况下各深度位置最大竖向位移,会车8s工况会车16s工况会车12s工况单车8s工况。列车动荷载所激发的粉细砂超静孔隙水压力约为静水压力的1%。粉细砂层最大超孔压随基底深度呈指数型衰减趋势。粉细砂层内最大孔隙水压力与总应力比值小于1,隧道基底粉细砂层不会发生液化。该结果可用于调控隧道控制截面位置基底粉细砂层动力响应与可液化性研究。     

基于大型振动台试验的偏压隧道地震响应特性研究

基于动力模型相似理论,设计了一个尺寸为1∶10的偏压隧道模型进行大型振动台试验,研究模型分别在大瑞人工波、Kobe波和汶川波水平竖向双向激振条件下偏压隧道的加速度、动应变和围岩压力的动力响应特性。试验结果表明:偏压隧道竖向加速度响应与地震波、振幅和测点位置有关,且对激振加速度有放大效应,但随输入加速度峰值的增大而减小,受临空坡面放大效应的影响,同一高程靠近坡面的偏压侧放大系数大于非偏压侧(除拱脚外);水平向加速度响应主要与测点位置关系较大,受波形和振幅影响较小。衬砌在地震作用下主要承受拉应力,主应力随输入加速度峰值的增大而增大,非偏压拱脚主应变值最大是抗震设防的关键部位。     

高速铁路采空区地基活化判据与工程实例分析∗

为探究高速铁路采空区地基活化问题,基于附加应力分析法,以引起叠加附加应力值等于 5% 岩土层自重应力的深度为附加应力影响深度,推导出高速铁路有砟轨道双线路堤段及路堑段在无列车、有列车情况下的附加应力影响深度计算公式,提出了以附加应力影响深度与垮落断裂带深度大小关系为依据的采空区地基活化判别标准,并分析了高速铁路采空区稳定性影响程度的评价标准。以沁水煤田太焦高速铁路为工程实例,研究结果表明： 高速铁路在采空区地基附加应力影响深度从大到小分别是列车交会、单车、无车;路堤段在采空区地基中附加应力影响深度大于路堑段;路堤段与路堑段在采空区地基中附加应力随深度衰减规律相同;随着路堤高度的增加,附加应力影响深度几乎成线性增加。     

地震、列车竖向荷载共同作用下大跨桥梁的动力响应分析

以地震、列车荷载共同作用下的大跨桥梁为研究对象,基于有限元分析软件,建立了地震波斜入射下包括地基土体在内的车-桥耦合动力数值分析模型。通过改变地震波的入射角度及车速,对桥梁的动力响应进行了计算分析。结果表明,地震波入射角度对桥梁的动力响应有显著的影响,随着入射角度的增大,跨中竖向位移、速度都不断地增大;在地震作用下,列车速度对桥梁动力响应的影响相对较小,桥梁结构的动力响应并不总是随着列车运行速度的增加而增加,而是在某一速度达到最大;考虑土-结构动力相互作用(SSI)时,桥梁参考点处的竖向位移显著增大,而跨中弯矩有所减小。     

双圆形衬砌隧洞对柱面SH波作用下附近场地动力响应的影响分析∗

在柱面SH波作用下,由于弹性半空间中存在水平和垂直平行双圆形衬砌隧道,附近场地的动力响应将会受到影响。因此,本文基于弹性波理论,采用波函数展开法分析了双隧洞周围的柱面SH波散射问题,给出了双圆形衬砌隧道附近场地的位移解析解,并验证了该解的收敛性。通过对衬砌隧洞的衬砌刚度、隧洞埋深、两隧洞的中心间距以及入射波频率等参数的分析,研究了双圆形衬砌隧洞附近场地土体的位移幅值沿水平方向和深度方向的变化规律。结果表明:衬砌刚度、隧洞埋深、中心间距以及入射频率对双圆形衬砌隧洞附近场地的动力响应有着显著的影响。     

结合脉动测试的金刚宝座塔地震反应分析及震害预测

为了研究内蒙古呼和浩特市慈灯寺金刚宝座塔的抗震性能,测试了金刚宝座上五座小塔的动力特性,并建立数值模型计算结构的动力特性。通过动力特性比较,确定了结构整体等效弹性模量,输入调幅后的三向EL-Centro波计算古塔的地震反应,输出古塔各层应力响应、弹性位移响应、最大层间位移角以及塔底加速度时程。结果表明:中塔的水平剪应力在塔体中部最大,中塔竖向正应力、边塔水平剪应力和竖向正应力在塔体底部最大;层间位移值在塔体顶部最大,中塔和边塔的结构薄弱层分别为4层与顶层以及底层与顶层。慈灯寺塔在8度多遇地震下塔体基本完好,在8度罕遇地震下塔体上部将产生严重破坏。设置金刚宝座降低了各小塔的振动频率,加大了塔体底部的加速度幅值,不利于古塔的抗震性能。     

近断层地震作用下考虑P-Δ效应的混凝土结构响应分析*

近断层地震动具有更大的水平地震和竖向地震作用,从而改变结构的p-Δ效应。首先,利用537组近断层地震动,统计分析了近断层地震动的反应谱特性和竖向与水平向加速度峰值比,考察了近断层地震动的特性。其次,分别对近断层脉冲地震动、近断层非脉冲地震动和远断层地震动作用下混凝土结构的弹塑性反应进行了计算,分析了p-Δ效应的影响规律。最后,同时输入竖向和水平向地震动,考虑竖向地震动对结构p-Δ效应的影响。结果表明:近断层地震动有较大的水平向和竖向反应谱值,在近断层区域,将竖向地震动作用简单的按照现行规范中的取水平地震作用的2/3进行考虑是偏于不安全的;加速度峰值一致的前提下,结构在近断层脉冲地震作用下具有较大的响应,但p-Δ效应对结构的响应影响不明显,幅度大多未超过10%;由于地震动的随机性及复杂性,竖向地震动引起的惯性力不一定会增大结构的反应,也有可能会减小结构的反应。     

抗震液化的总应力合成分析方法

基于总应力动力分析法,运用二维显式有限差分程序FLAC对某大坝在地震荷载作用下的动力响应进行模拟分析。编制了分析大坝液化的数值模型的分析模块并与FLAC接口。分别考虑了水平、竖向地震荷载以及两个方向的耦合和不同水位深度对大坝动力特性的影响,得到了大坝在地震荷载作用下液化区域和位移矢量的分布态势。     

新建隧道上穿既有隧道引起的剪切错台变形研究

采用剪切错台模型,研究新建盾构隧道上穿对下方既有地铁盾构隧道的影响。考虑新建隧道上穿时刀盘附加推力、盾壳摩擦力、注浆附加压力以及土体损失在既有隧道轴线处产生的附加应力,将既有盾构隧道简化为由剪切弹簧连接的弹性地基短梁,运用最小势能原理并采用合理的位移试函数,建立计算方程来求解既有隧道的竖向位移值、盾构环之间的错台量以及环间剪切力值,同时对相关参数采用控制变量的方式研究其对既有隧道的影响。研究结果表明:本文方法计算得到的既有盾构隧道竖向隆起值与实测值较为吻合;既有盾构隧道竖向位移最大值处的隧道错台量接近0,在竖向位移曲线的反弯点处隧道错台量和环间剪切力值最大;随着新建隧道的掘进,既有隧道的竖向位移、错台量和环间剪力值不断增大,最后趋于稳定;两隧道的轴线交角越小,既有隧道的竖向位移值就越大;两隧道的净距减小时,既有隧道的隆起变形会更加明显。     

双线盾构多因素引起地下管线的附加荷载研究

研究了地下管线与双线盾构垂直时地下管线附加荷载的分布规律。采用弹性力学Mindlin解,推导出双线盾构在掘进过程中多因素引起的土体附加应力计算公式。基于Winkler土体模型,推导出双线盾构施工中土体损失引起的竖向土体附加应力计算公式。算例分析结果表明:双线盾构施工中盾壳摩擦力和盾尾注浆压力引起的地下管线附加荷载较大;正面附加推力引起的附加荷载较小;土体损失是引起竖向附加荷载的主要原因;随着先行、后行盾构开挖面前后距离Q的减小,后行盾构上方管线的附加荷载变化比较明显;随着先行、后行盾构轴线水平间距L的增大,x和z方向的附加荷载峰值减小。     

地下通道浅埋暗挖对城市道路结构的影响

城市地下通道浅埋暗挖法施工会导致地层变形和地表沉降。采用通用有限元软件ABAQUS,对地下通道浅埋暗挖施工过程进行数值模拟,根据围岩开挖引起的位移响应和应力响应计算,结合现场实测数据,评价地下通道浅埋暗挖法施工对城市道路路面结构的影响,并讨论长管棚超前预支护对减小围岩开挖引起的路面结构附加弯拉应力的意义。分析结果表明:浅埋地下通道,围岩软弱,暗挖施工会引起显著的地层损失和路表沉降,这会导致沥青混凝土路面结构内形成较大的附加弯拉应力;采用长管棚超前预支护可控制地层损失和路表沉降,并可减小由此引起的路面结构附加弯拉应力。     

深基坑支护开挖对临近地铁隧道结构的影响分析研究

通过数值计算,采用考虑基坑开挖过程中土体剪切模量随应变增大而衰减特性的HSS模型,研究了基坑开挖卸荷作用下,邻近地铁隧道的埋深、隧道和基坑地连墙距离及刚度比等关键因素对地铁结构附加弯矩和附加位移的影响。结果表明:对于坑底隧道,在地下墙埋置深度范围内,与地连墙水平距离越大,隧道的侧移越小,在地下墙埋深以下,隧道侧移随与地连墙水平距离的增大而增大;通过比较坑侧与坑底隧道的附加弯矩与位移,得出地连墙底附近区域因基坑开挖卸荷引起的隧道附加弯矩较大,出现应力集中和明显的隧道-土-挡墙相互作用效应,坑侧隧道水平附加位移普遍大于竖向附加位移;此外,隧道与地连墙刚度比增大,对挡墙侧移和隧道附加位移都有明显的抑制作用。该研究揭示了基坑开挖作用下隧道-土-挡墙之间的相互作用规律,对深基坑开挖优化设计以及临近地铁结构的保护和安全运行具有一定的指导意义。     

饱和土中考虑竖向荷载的端承桩水平振动响应解析解

考虑土体应力-应变的梯度变化及桩土耦合振动,对竖向荷载作用下饱和土中端承桩水平振动问题进行了理论研究。采用Euler模型模拟桩基,建立了竖向荷载作用下桩基水平振动控制方程;通过势函数解耦土体Biot动力固结方程,并利用Laplace变换和分离变量法得到土体应力和位移解析表达式;结合桩土连续性条件得到桩基位移、内力和桩顶水平动力复阻抗解析解。将退化解与已有文献进行对比,验证了解的合理性。通过算例分析,讨论了竖向荷载和长径比对桩基位移和内力的影响,研究结果表明:竖向荷载和长径比均会使桩身位移和内力发生重分布;在进行桩基水平向承载力设计时,有必要考虑竖向荷载的影响。     

动荷载作用下地下岩体洞室应力特征的影响因素分析

用FLAC3D初步分析了动荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室应力特征的影响。分析结果表明:动荷载下,随着埋深的增加,各种洞型应力量值有明显的减小趋势;地应力状态对地形洞室的应力响应有较明显的影响,在自重地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底地最小主应力处于拉应力状态,而构造地应力为主的情况下,洞室拱顶、拱底最小主应力处于压应力状态,且随着侧压系数的增加,洞室的应力由较明显的减小趋势;动荷载作用下,不同断面形状的洞型应力响应有一定区别,圆形洞室应力响应最小,矩形洞室应力响应最大,随埋深、地应力的增加,洞形对洞室应力响应影响减小,当埋深超过300 m后,洞型对应力的影响变化程度不大。     

深埋隧道圆形基坑围护结构变形特性及控制指标探讨

基于深埋隧道超深竖井工程,对比分析了圆形与矩形基坑受力变形特征,在对国内外圆形竖井基坑典型案例统计分析的基础上,探讨圆形竖井基坑的变形抑制机理,以现有规范、工程实例为基础确定圆形竖井基坑的变形控制指标。研究结果表明:①考虑空间结构体系的圆形竖井计算的地墙内力及变形比弹性地基梁的计算结果小20%以上,而矩形基坑的计算结果仅比弹性地基梁的计算结果小0～15%;②支护结构承受轴力为主的"圆筒"效应、轴力对薄弱处的加强以及土体的"挤压"效应三者的综合作用是圆形基坑受力变形抑制的原因;③随着基坑深度增大,基坑侧墙水平位移与深度的比值显著减小;随着基坑直径增大,基坑侧墙水平位移与深度的比值变大;④建议以基坑深度35m、基坑直径40m为分界点,根据情况分别选取0.5‰、1‰、1.8‰作为对于圆形深基坑支护结构水平位移控制指标。     

工作竖井与隧道连接处支护结构横向地震响应

建立了工作竖井与盾构隧道、明挖隧道相连的空间交叉结构三维模型,采用FLAC3D对该复杂结构进行了横向地震响应分析,得到了工作竖井与隧道连接处支护结构关键点的位移和应力响应规律。通过对地震横向激励过程中竖井与隧道连接处支护结构收敛位移和关键点主应力峰值的分析,对该结构的横向抗震性能做出了评价。     

应用伺服钢支撑的邻近盾构隧道车站深基坑开挖实测分析

钢支撑轴力伺服系统作为新兴的支护体系,正逐步应用于邻近地铁隧道、周围环境复杂以及需要保护的深基坑。根据杭州某地铁超深基坑的现场监测数据,开展钢支撑轴力伺服系统对基坑开挖变形性状及邻近地铁隧道变形的控制研究。结果表明：钢支撑轴力伺服系统的应用可以使开挖阶段基坑围护结构最终位移减小率达到63%,并且在地下结构施工阶段时可以起到顶回围护结构的作用;邻近新建高楼产生的附加荷载对围护结构作用效果显著,在该条件下对钢支撑轴力伺服系统轴力调控的要求较高;普通基坑围护结构的最大水平位移对应的深度在开挖面附近,伺服钢支撑的应用会使这一深度有3～5 m左右的增加,导致其无法进行直接有效的控制;温度是伺服钢支撑轴力的最主要影响因素,每上升1℃支撑轴力会增大约20 kN;本基坑工程的开挖面位于隧道以下位置,隧道在基坑开挖阶段转向地下结构施工阶段的水平和竖向位移均有突变,总体呈现“水平拉伸,竖向收缩”的变形模式;根据文中实测数据及前人研究拟合得到伺服支撑控制下的隧道水平位移预测公式。     

进尺对浅埋隧道掌子面稳定性及变形受力影响

基于强度折减有限元法分析不同进尺对隧道掌子面稳定性和破坏形态的影响,研究不同进尺下掌子面变形形态、拱顶沉降特性、地表沉降槽形状,并揭示不同进尺下掌子面前方、进尺开挖段、支护段的应力传递路径、拱效应特征及应力演化过程。结果表明:进尺对稳定性的影响呈现非线性特征,整体上随着进尺的增大,稳定安全系数降低,塑性分布范围增大,位移影响范围增大,且从掌子面附近逐渐扩展到开挖段,位移矢量角呈现非线性增大,即竖向位移所占比重增加。掌子面前方及进尺开挖段均存在拱效应,竖向拱效应大于横向拱效应,水平拱效应最弱,应加强掌子面底部围岩的稳定和已支护段的强度;根据竖向应力距掌子面距离的不同,可以将其分为三个区段:掌子面附近为应力降低区,即卸荷区;掌子面前方一段距离为应力升高区,即应力承载区;掌子面较远处,为原岩应力区。     

场地动力特性对衬砌隧道地震反应的影响

采用间接边界元法(IBEM),研究了平面SV波入射下场地动力特性对衬砌隧道地震反应的影响问题。充分利用半空间格林函数和全空间格林函数在分别构造含孔半无限空间域和闭合域内散射波场方面的优势,将含有衬砌隧道的层状半空间分解为含孔层状半无限空间域和一个环形衬砌闭合域。在半无限空间域孔洞边界和闭合域边界各单元上分别施加虚拟均布荷载,进而求得半空间和全空间域内的位移、应力格林函数,然后根据边界条件确定虚拟均布荷载密度,最后求得衬砌内表面动应力集中系数。验证了方法的正确性,并以基岩上单一土层和基岩上三层土为例,计算分析了层状弹性半空间中隧道衬砌内表面动应力集中系数。结果表明,随着基岩土层刚度比的增大,动应力集中系数峰值减小;随着土层厚度增大,动应力集中系数峰值总体上呈减小趋势;对于不同土层层序,动应力集中系数峰值明显不同。