钢纤维喷射混凝土力学特性及其在隧道单层衬砌中的应用研究

摘要

喷射混凝土技术，已成为地下工程和岩土工程支护中最有效的支护手段之一，它不仅可以作为初期支护确保隧道施工过程中的安全，也可以与其它支护构件或配合或单独地作为结构物的永久支护，维护结构物的长期稳定和安全使用。近年来，为了适应不同的围岩条件和施工方法，出现了许多新型的喷混凝土，如高强度喷混凝土、纤维喷混凝土、聚酯喷混凝土等，其中钢纤维喷射混凝土，因工程力学性能在很多方面都优于普通喷射混凝土，越来越受到工程界的重视，并在隧道及地下工程的衬砌支护中得以应用，但一直以来对其力学特性及隧道单层衬砌相关性问题的研究还不够深入。本文结合国家自然科学基金重点项目(50334060)和国家自然科学基金创新群体基金(50621403)，在前人研究的基础上，通过理论分析、试验研究、数值模拟和现场测试等方法，对钢纤维喷射混凝土的力学特性及其在隧道单层衬砌中的应用进行了较为系统和深入的研究。本文的主要研究内容和成果如下：
　　 ①研究了钢纤维对混凝土的增强机理。根据钢纤维喷混凝土应力-应变曲线实验的基本特性，将钢纤维喷混凝土的破坏演化过程分成四个相互联系又各具特点的阶段；通过对钢纤维喷混凝土梁的抗弯机理分析，推导出了裂后弯矩与极限弯矩的关系表达式；并从复合材料力学和断裂力学的观点阐述了钢纤维对混凝土的增强、增韧作用。
　　 ②研究了钢纤维喷混凝土的抗压强度、抗拉强度、早期强度、粘结强度以及抗渗性能等基本力学特性，掌握了钢纤维喷混凝土的力学性能与掺量关系，确定了纤维的合理掺量，并提出了适合于隧道单层衬砌的钢纤维喷混凝土力学特性控制指标。
　　 ③通过钢纤维喷混凝土的荷载-挠度试验，对其弯曲韧性进行了计算分析，研究了弯曲韧性指标随纤维掺量的变化规律，结合试验结果，对钢纤维喷混凝土韧性指标的相关性进行了探讨；根据立方体切片实验，分析了钢纤维在喷射混凝土中的分布规律，并将实验结果与理论计算进行对比，得到了纤维在喷混凝土中服从球面上的Fisher分布。
　　 ④从分析单层衬砌的支护对象入手，对隧道喷混凝土单层衬砌的力学机理进行了研究。单层衬砌在荷载经历过程中表现出两种不同的力学传递：一种是从影响支护应力状态的围岩向外部传递，另一种是应力内部的传递；喷混凝土支护的受力机理分为两类：局部受力和整体受力；对锚杆在喷混凝土单层衬砌中的支护作用进行了分析。
　　 ⑤通过对隧道围岩稳定性的影响因素分析，从突变理论入手，研究了隧道单层衬砌顶部复合结构的稳定性。采用平直梁简化力学模型，建立了隧道单层衬砌支护-围岩复合体拱顶失稳的尖点突变模型，导出了其失稳的充要力学条件判据和系统失稳时拱顶变形突跳量及能量释放的表达式，并讨论了受力状况变化对拱顶复合结构稳定性的影响。
　　 ⑥采用有限元法对钢纤维喷混凝土单层衬砌进行了数值模拟，分析了隧道围岩-支护结构体系的位移场、应力场、塑性区以及支护内力的分布规律和变化特性，探讨了不同围岩级别下隧道开挖后的围岩稳定性，以及钢纤维喷混凝土单层衬砌的合理喷层厚度，并基于现场监测成果对隧道单层衬砌支护结构进行了稳定性评价。
　　 ⑦以摩天岭隧道通风斜井为依托工程，按照挪威隧道工法的原理和技术要求，从施工工艺、结构设计、关键技术、经济性及防排水等方面系统地研究了湿喷钢纤维混凝土在隧道单层衬砌中的应用，初步形成具有质量检验及评定标准的隧道单层衬砌施工技术。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪 论

1.1问题的提出及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1钢纤维喷射混凝土应用发展研究现状

1.2.2钢纤维混凝土增强机理研究现状

1.2.3钢纤维混凝土力学性能研究现状

1.2.4钢纤维喷混凝土单层衬砌应用研究现状

1.3主要研究内容及技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2技术路线

2钢纤维混凝土的增强机理及抗弯特性

2.1引言

2.2钢纤维喷混凝土的破坏机理

2.3钢纤维喷混凝土的抗弯特性

2.4钢纤维混凝土的增强理论

2.4.1复合力学理论

2.4.2纤维间距理论

2.4.3钢纤维对混凝土的阻裂原理

2.5本章小结

3钢纤维喷射混凝土基本力学特性试验研究

3.1引言

3.2钢纤维喷射混凝土的基本力学性能

3.2.1钢纤维喷混凝土的抗压性能

3.2.2钢纤维喷混凝土的劈裂抗拉性能

3.2.3钢纤维喷混凝土的弹性模量

3.2.4钢纤维喷混凝土的抗折性能

3.3钢纤维喷射混凝土力学试验设计

3.3.1依托工程背景

3.3.2试验原材料

3.3.3试验配合比设计

3.3.4.试件制备

3.4钢纤维喷混凝土基本力学特性试验结果及分析

3.4.1抗压、抗拉力学试验结果及分析

3.4.2早期抗压强度结果及分析

3.4.3纤维类别对喷混凝土力学性能影响

3.4.4.纤维掺量对喷射混凝土力学性能影响

3.4.5钢纤维喷混凝土粘结抗拉强度试验及分析

3.4.6钢纤维喷混凝土的抗渗性能试验

3.5用于单层衬砌的钢纤维喷混凝土力学特性指标

3.6本章小结

4钢纤维喷混凝土弯曲韧性与纤维分布特征试验研究

4.1引言

4.2钢纤维喷射混凝土荷载-挠度试验

4.2.1试验过程及描述

4.2.2三分梁试验荷载-挠度曲线

4.2.3试验结果分析

4.2.4钢纤维混凝土弯曲韧性试验方法探讨

4.3钢纤维喷射混凝土中纤维分布特性试验

4.3.1钢纤维分布特征参数及意义

4.3.2试验方法

4.3.3试验结果及分析

4.3.4喷混凝土中钢纤维方向有效系数的理论推导

4.4本章小结

5隧道单层衬砌支护结构稳定性的理论分析

5.1引言

5.2单层衬砌的力学传递机理

5.2.1单层衬砌的支护对象

5.2.2围岩与支护特征曲线法原理

5.2.3隧道单层衬砌的力学传递

5.2.4单层衬砌构造条件及其与复合衬砌比较

5.3隧道单层喷混凝土衬砌支护机理分析

5.3.1喷混凝土衬砌的局部受力机理分析

5.3.2喷混凝土衬砌的整体受力机理分析

5.3.3单层衬砌锚喷支护中锚杆作用机理分析

5.4基于突变理论的隧道单层衬砌拱顶围岩与支护结构失稳分析

5.4.1隧道岩体稳定性的影响因素

5.4.2突变理论及其数学模型

5.4.3失稳力学模型的建立

5.4.4隧道单层衬砌复合体结构尖点突变模型

5.4.5分析与讨论

5.5本章小结

6隧道单层衬砌稳定性数值模拟及监测研究

6.1引言

6.2有限元法简介

6.3数值模型及参数的选取

6.3.1计算模型

6.3.2材料的本构模型

6.3.3模型材料参数的选择

6.3.4施工模拟及计算工况

6.4数值模拟结果及分析

6.5不同围岩级别隧道三维数值模拟分析

6.6隧道单层衬砌力学性态现场监测分析

6.6.1监测目的

6.6.2监测结果及分析

6.7本章小结

7隧道钢纤维喷混凝土单层衬砌工程实例分析

7.1工程概况

7.1.1 工程及水文地质条件

7.1.2斜井原设计衬砌支护参数

7.2摩天岭隧道斜井单层衬砌厚度确定

7.2.1钢纤维喷混凝土单层衬砌厚度确定的Q法

7.2.2斜井单层衬砌支护预设计

7.2.3钢纤维喷混凝土单层衬砌厚度数值分析

7.3斜井单层衬砌施工工艺、技术及效益分析

7.3.1钢纤维喷混凝土单层衬砌施工工艺及质量控制

7.3.2斜井关键施工技术及方法

7.3.3效益分析

7.4斜井通风能力分析

7.4.1隧道通风阻力计算

7.4.2斜井通风概况

7.4.3斜井通风阻力对比分析

7.5隧道单层村砌结构防排水技术分析

7.5.1复合式衬砌防排水存在的问题

7.5.2单层衬砌结构防排水设计原则

7.5.3隧道单层衬砌防排水结构型式

7.6本章小结

8结论与展望

8.1主要结论

8.2后续研究工作的展望

致 谢

参考文献

附 录