隧道钢纤维混凝土单层衬砌模型试验及数值模拟

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1、铁道建筑RailwayEngineering72文章编号：1003—1995(2014)06—0072—03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610031；2．交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)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FLAC3D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

2、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：U451．4文献标识码：ADOI：10．3969／j．issn．1003—1995．2014．06．221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

3、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图1隧道设计断面(单位：min)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2模型试验安全性。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2．1试验材料室内试验与数值分析相结合的方法，对隧道钢纤维混试验材料配合比数据见表1，水灰比W／C=0．65。凝土单层衬砌的安全性作出了评价。试验原材料：P．O42．5R普通硅酸盐水泥；92U硅粉，细某拟建电力隧道，隧道拱顶最大埋深12131，围岩度

4、9．6％；I级粉煤灰；5～l0mm碎石，级配合理；机等级V级，由于受到场地限制拟采用暗挖法施工。制砂细度模数2．6，石粉含量13．4％，最大粒径为支护结构拟采用强度等级为C30的喷射钢纤维混凝5mm；高强钢丝型钢纤维，直径0．55mm，长径比土单层衬砌，衬砌厚度30cm。隧道开挖高度45．5，抗拉强度大于1000MPa，长20mm；减水率25％H。=5．1m，开挖宽度B，=6．2m。设计断面如图1聚羧酸减水剂；无碱液体速凝剂。钢纤维体积率为所示0．45％表1配合比设计kg／m2．2试验装置收稿日期：2013—09．04；修回日期：2014—02—17模型试验以卧式方式对试

5、件进行加载，试验装置基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU11ZT33)如图2所示。在保持平面应变情况下，对平面内两个作者简介：胡磊(199O一)，男，安徽郎溪人，硕士研究生。方向的8个千斤顶同时增加油压，以对隧道衬砌结构74铁道建筑即为埋深12m，纵向计算长度取3in。模型单元数为3数值模拟3636，网格节点数为5000。3．1FALC3D数值模型3．2结果分析快速拉格朗日法分析软件(简称FLAC3D)是美隧道模型模拟开挖并施作单层衬砌支护后，计算国ItascaConsultingGroup，Inc．开发的有限差分法分析出衬砌单元的弯矩、轴力及安全系数

6、，如图4所示。由软件，与有限单元方法相比，在岩土领域中的应用更有图可见，按《铁路隧道设计规范》中的允许应力法得到优势。FLAC3D隧道模型计算范围一般为左右各取的衬砌截面安全系数均满足规范要求。设计荷载作用3～5倍洞径，隧道上下各取2～3倍洞径，这里计算模下，钢纤维衬砌安全系数的计算值与试验值对比见表型隧道左右侧各取20m，下侧取15m，上侧取至地表，4，安全系数远大于规范容许值。【a1模型弯矩(单位：kN．m)(b)模型轴力(单位：kN)(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]汪波，李天斌，何川，等．衬砌减薄对

7、隧道结构承载力影响4结语的模型试验研究[J]．铁道学报，2013，35(2)：107—115．[5]刘新荣，祝云华，李晓红，等．隧道钢纤维喷射混凝土单层通过隧道大相似比(1：S=1：7)模型试验和衬砌试验研究[J]．岩土力学，2009，30(8)：2319—2323．FLAC3D有限差分法数值模拟，试验及计算结果均表[6]张俊儒，仇文革．隧道单层衬砌研究现状及评述[J]．地下明，钢纤维混凝土单层衬砌支护设计是满足规范安全空间与工程学报，2006，2(4)：693—699．性要求的。在设计荷载作用下，钢纤维混凝土单层衬[7]苏晓