鋼纖維噴射混凝土力學(xué)特性及其在隧道單層襯砌中的應(yīng)用研究.pdf

1、噴射混凝土技術(shù)，已成為地下工程和巖土工程支護(hù)中最有效的支護(hù)手段之一，它不僅可以作為初期支護(hù)確保隧道施工過程中的安全，也可以與其它支護(hù)構(gòu)件或配合或單獨(dú)地作為結(jié)構(gòu)物的永久支護(hù)，維護(hù)結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全使用。近年來，為了適應(yīng)不同的圍巖條件和施工方法，出現(xiàn)了許多新型的噴混凝土，如高強(qiáng)度噴混凝土、纖維噴混凝土、聚酯噴混凝土等，其中鋼纖維噴射混凝土，因工程力學(xué)性能在很多方面都優(yōu)于普通噴射混凝土，越來越受到工程界的重視，并在隧道及地下工程的襯砌支護(hù)

2、中得以應(yīng)用，但一直以來對(duì)其力學(xué)特性及隧道單層襯砌相關(guān)性問題的研究還不夠深入。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50334060)和國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體基金(50621403)，在前人研究的基礎(chǔ)上，通過理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等方法，對(duì)鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)特性及其在隧道單層襯砌中的應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)和深入的研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　　 ①研究了鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)機(jī)理。根據(jù)鋼纖維噴混凝土應(yīng)力-應(yīng)變

3、曲線實(shí)驗(yàn)的基本特性，將鋼纖維噴混凝土的破壞演化過程分成四個(gè)相互聯(lián)系又各具特點(diǎn)的階段；通過對(duì)鋼纖維噴混凝土梁的抗彎?rùn)C(jī)理分析，推導(dǎo)出了裂后彎矩與極限彎矩的關(guān)系表達(dá)式；并從復(fù)合材料力學(xué)和斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)闡述了鋼纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌作用。
　　 ②研究了鋼纖維噴混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、早期強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度以及抗?jié)B性能等基本力學(xué)特性，掌握了鋼纖維噴混凝土的力學(xué)性能與摻量關(guān)系，確定了纖維的合理摻量，并提出了適合于隧道單層襯砌的鋼纖維噴混

4、凝土力學(xué)特性控制指標(biāo)。
　　 ③通過鋼纖維噴混凝土的荷載-撓度試驗(yàn)，對(duì)其彎曲韌性進(jìn)行了計(jì)算分析，研究了彎曲韌性指標(biāo)隨纖維摻量的變化規(guī)律，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)鋼纖維噴混凝土韌性指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行了探討；根據(jù)立方體切片實(shí)驗(yàn)，分析了鋼纖維在噴射混凝土中的分布規(guī)律，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，得到了纖維在噴混凝土中服從球面上的Fisher分布。
　　 ④從分析單層襯砌的支護(hù)對(duì)象入手，對(duì)隧道噴混凝土單層襯砌的力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了研究。單層

5、襯砌在荷載經(jīng)歷過程中表現(xiàn)出兩種不同的力學(xué)傳遞：一種是從影響支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)的圍巖向外部傳遞，另一種是應(yīng)力內(nèi)部的傳遞；噴混凝土支護(hù)的受力機(jī)理分為兩類：局部受力和整體受力；對(duì)錨桿在噴混凝土單層襯砌中的支護(hù)作用進(jìn)行了分析。
　　 ⑤通過對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素分析，從突變理論入手，研究了隧道單層襯砌頂部復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用平直梁簡(jiǎn)化力學(xué)模型，建立了隧道單層襯砌支護(hù)-圍巖復(fù)合體拱頂失穩(wěn)的尖點(diǎn)突變模型，導(dǎo)出了其失穩(wěn)的充要力學(xué)條件判據(jù)和系統(tǒng)

6、失穩(wěn)時(shí)拱頂變形突跳量及能量釋放的表達(dá)式，并討論了受力狀況變化對(duì)拱頂復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
　　 ⑥采用有限元法對(duì)鋼纖維噴混凝土單層襯砌進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了隧道圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、塑性區(qū)以及支護(hù)內(nèi)力的分布規(guī)律和變化特性，探討了不同圍巖級(jí)別下隧道開挖后的圍巖穩(wěn)定性，以及鋼纖維噴混凝土單層襯砌的合理噴層厚度，并基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果對(duì)隧道單層襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
　　 ⑦以摩天嶺隧道通風(fēng)斜井為依托工程，按