隧道钢纤维混凝土单层衬砌模型试验及数值模拟.pdf

72 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 0 7 2 0 3 隧道钢 纤维混凝土单层衬砌 模型试 验及数值 模拟 胡 磊 ， 王 志杰 ， 何 明磊 ， 王 奇 ， 董玉辉 ， ( 1 西南交通大学 土木工程学院 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 交通 隧道工程教育部重点实验室 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 为 了对 隧道 钢 纤 维混凝 土单层 衬砌 作 出安 全性评 价 ， 使 用卧 式加载 系统对钢 纤 维混凝 土衬 砌模 型 进行 了室 内试验 。在 保持 平 面应 变的 情 况下 ， 对 隧道 衬砌 模 型 进行 垂 直 方 向和 侧 向加 载 以模 拟 隧道 实 际 受力状 态 ； 同时利 用 F L A C 3 D软件 建 立 了隧道数 值模 型 。通 过模 型试 验和数 值 模拟 对 特 定 隧道 断 面 钢 纤维混 凝土 单层衬 砌 的安 全性进 行 了评 价 。模 型 试验 及 数值 模 拟 分析 结果 表 明 ， 在 设 计 荷 载 作 用下 对于衬砌各特殊验算截面， 试验结果与数值模拟所得安全 系数相差不大。模型试验与数值模拟相互验 证 ， 将二者相结合是一种评价隧道衬砌结构安全性的较为可靠的方法。 关键 词 ： 钢 纤维混凝 土 单层 衬砌数 值 分析模 型试验有 限差分 方 法 安 全性评 价 中 图分 类 号 ： U 4 5 1 4文 献标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 6 2 2 1 工程背景 钢纤 维混 凝 土主要 成分 为水 泥 、 粗骨 料 、 细骨料 以 及 杂乱 分布 的钢 纤 维 。与 普 通 混凝 土相 比 ， 钢纤 维 混 凝土 具有 较 高的抗 拉 强 度 和 较好 的弯 曲韧 性 ， 能够 消 除洞室开挖后 围岩表面 凸凹不平而带来 的应力集 中， 改善 围岩力学 性 能 ， 有 效控 制 围岩 的过度 变形 u 。 。 模 型 试验 是 一种 研 究 隧道 工程 问题 的重要 手 段 。根据 相 似 比原 理 对 实 际 复 杂 问题 进 行 简 化 ， 在 室 内通过 人工 加 载的方 法判 定真 型在 不 同荷 载时 的 安 全性 。此 外 ， 数值模 拟 也是 一种 重要 的分 析方 法 ， 目 前 已有 许 多学者 对 隧道进 行 数值 模 拟 。本文 通 过 室内试验与数值分析相结合 的方法 ， 对隧道钢纤维混 凝土单 层 衬砌 的安 全性作 出 了评 价 。 某 拟 建 电力 隧道 ， 隧道 拱 顶 最 大埋 深 1 2 13 1 ， 围岩 等级 V级 ， 由 于 受 到 场 地 限 制 拟 采 用 暗 挖 法 施 工 。 支护 结 构 拟 采用 强 度 等级 为 C 3 0的 喷 射 钢 纤 维 混 凝 土单 层 衬 砌 ， 衬 砌 厚 度 3 0 c m。隧 道 开 挖 高 度 H。 = 5 1 m， 开 挖 宽 度 B ， =6 2 m。 设 计 断 面 如 图 1 所 示 图 1 隧道设计断面 ( 单 位 ： min ) 2 模型试验 2 1试 验材 料 试 验材 料配 合 比数据 见表 1 ， 水 灰 比 W C= 0 6 5 。 试 验原 材料 ： P O 4 2 5 R普通 硅酸 盐水 泥 ； 9 2 U硅粉 ， 细 度 9 6 ； I级 粉 煤 灰 ； 5l 0 mm 碎 石 ， 级 配 合 理 ； 机 制 砂 细 度 模 数 2 6， 石 粉 含 量 1 3 4 ， 最 大 粒 径 为 5 m m； 高 强 钢 丝 型 钢 纤 维 ， 直 径 0 5 5 m m， 长 径 比 4 5 5 ， 抗 拉强 度 大于 1 0 0 0 MP a ， 长 2 0 mm； 减水 率 2 5 聚羧 酸 减 水 剂 ； 无 碱 液 体 速 凝 剂 。 钢 纤 维 体 积 率 为 0 45 表 1配 合 比 设 计 k g m 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 9 0 4 ； 修回 日期 ： 2 0 1 4 0 2 1 7 基金项 目： 中央高校基本科研业 务费专项 资金 资助( S WJ T U1 1 Z T 3 3 ) 作者简介 ： 胡磊( 1 9 9 O 一) ， 男 ， 安徽 郎溪 人 ， 硕士研究 生。 2 2试验 装置 模型试验以卧式方式对试件进行加载 ， 试验装置 如图 2所示 。在保持平面应变情况下 ， 对平面内两个 方 向的 8个 千 斤顶 同时增 加 油 压 ， 以对 隧 道衬 砌 结 构 7 4 铁道建筑 3 数值模拟 3 1 F AL C 3 D数 值模 型 快 速拉 格 朗 日法 分 析 软 件 ( 简 称 F L A C 3 D) 是 美 国 I t a s c a C o n s u l t i n g G r o u p ， I n c 开发 的有 限差 分法 分析 软 件 ， 与有 限单 元方 法相 比， 在 岩 土领域 中的应用 更有 优势 。F L A C 3 D 隧 道 模 型 计 算 范 围一 般 为 左 右 各 取 35倍 洞径 ， 隧道 上下 各取 2 3倍 洞径 ， 这 里 计 算模 型 隧道左 右侧 各取 2 0 m， 下侧取 1 5 m， 上侧 取 至地表 ， 即为埋深 1 2 m， 纵向计算长度取 3 i n 。模型单元数 为 3 6 3 6 ， 网格 节点 数 为 5 0 0 0 。 3 2结果 分析 隧道模型模拟开挖并施作单层衬砌支护后 ， 计算 出衬砌单元的弯矩 、 轴力及安全系数 ， 如图 4所示。由 图可见 ， 按 铁路隧道设计规范 中的允许应力法得到 的衬 砌 截面 安全 系数 均满 足规 范要 求 。设 计 荷载 作用 下 ， 钢纤 维衬 砌 安全 系数 的计 算 值 与 试 验 值 对 比见 表 4， 安全系数远大于规范容许值。 【 a 1 模型弯矩( 单位：k N m) ( b ) 模型轴力 ( 单位： k N) ( c ) 模型安全系数 图 4 模型 内力及安全系数计算值 表 4 设计荷载作用下隧道真型安全 系数计 算值 与试 验值 4 结语 通 过隧 道大 相似 比 ( 1 ： S =1 ： 7) 模 型试 验 和 F L A C 3 D有限差分法数值模拟， 试验及计算结果均表 明 ， 钢 纤维 混凝 土单 层 衬 砌 支 护设 计 是 满 足 规 范 安 全 性 要 求 的。在 设计 荷 载作 用 下 ， 钢 纤 维 混 凝 土 单 层 衬 砌 的安全 系数 满 足规 范 的安 全性 要 求 。同 时 ， 模 型 试 验 和数值模 拟 的分 析 结 果 相 近 ， 将 二 者相 结 合 综 合 分 析是 一 种 评 价 隧 道 衬 砌 结 构 安 全 性 的 较 为 可 靠 的 方法 参 考 文 献 1 范新 ， 章克凌 ， 王明 洋 ， 等 钢纤 维喷射 混凝土 支护抗 常规 爆炸震 塌 能 力 研 究 J 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 7)： 1 4 3 7 1 4 4 2 2 贺少辉 ， 马万权 ， 曹 德胜 ， 等 隧道湿 喷纤维高 性能 混凝 土 单层永 久 衬 砌 研 究 J 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 2 0) ： 3 5 0 9 - 3 5 1 7 3 汪成兵 ， 朱合华 隧道 围岩渐进性 破坏机 理模 型试验方 法 研究 J 铁道工程学报 ， 2 0 0 9 ， 1 2 6 ( 3 ) ： 4 8 5 3 4 汪 波 ， 李天斌 ， 何 川 ， 等 衬砌减 薄对 隧道结构 承 载力影 响 的模 型试 验研究 J 铁道学报 ， 2 0 1 3 ， 3 5 ( 2 ) ： 1 0 7 1 1 5 5 刘新荣 ， 祝 云华 ， 李 晓红 ， 等 隧道钢纤 维喷 射混凝 土单 层 衬 砌试 验研究 J 岩土力学 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 8 ) ： 2 3 1 9 2 3 2 3 6 张俊儒 ， 仇文革 隧道单层 衬砌研 究现状 及评述 J 地 下 空间与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 ( 4 ) ： 6 9 3 6 9 9 7 苏晓垄 隧道开挖数值模拟的围岩边界取值范 围研究 J 铁道工程学报 ， 2 0 1 2 ， 1 6 2 ( 3 ) ： 6 4 6 8 8 赵瑜 ， 李晓红 ， 顾 义磊 ， 等 高应力 区隧道 围岩变 形破 坏 的 数值模拟及物理 模拟 研 究 J 岩 土 力学 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 增 ) ： 39 3 3 9 7 9 张宪堂 ， 王洪立 ， 周红 敏 ， 等 F L A C 3 D在海底 隧道 涌水量 预测 中的应用 J 岩土力学 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 增 ) ： 2 5 9 2 6 3 1 0 刘建华 ， 朱 维申 ， 李术才 岩土介质三维快速拉格 朗 日数值 分析方法研究 J 岩 土力学 ， 2 0 0 6， 2 7 ( 4 ) ： 5 2 5 5 2 9 1 1 徐礼华 ， 池寅 ， 李 荣渝 ， 等 钢纤维 混凝 土深梁 非线性 有 限 元分析在 A N S Y S中的实 现 J 岩 土力 学 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 9) ： 2 5 77 25 82 1 2 王 志杰 喷射钢纤维混凝土及其在 隧道和地下工程 中的应 用 J 公路 ， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 1 4 5 1 4 8 ( 责任 审 编 赵其文)