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中最有效的支護手段之一，它不僅可以作為初期支護確保隧道施工過程中的安全，也可以與其它支護構(gòu)件或配合或單獨地作為結(jié)構(gòu)物的永久支護，維護結(jié)構(gòu)物的長期穩(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

2、中得以應(yīng)用，但一直以來對其力學(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)合國家自然科學(xué)基金重點項目(50334060)和國家自然科學(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、試驗研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試等方法，對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)用進行了較為系統(tǒng)和深入的研究。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 ①研究了鋼纖維對混凝土的增強機理。根據(jù)鋼纖維噴混凝土應(yīng)力-應(yīng)變

3、曲線實驗的基本特性，將鋼纖維噴混凝土的破壞演化過程分成四個相互聯(lián)系又各具特點的階段；通過對鋼纖維噴混凝土梁的抗彎機理分析，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)的觀點闡述了鋼纖維對混凝土的增強、增韌作用。
　　 ②研究了鋼纖維噴混凝土的抗壓強度、抗拉強度、早期強度、粘結(jié)強度以及抗?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，對其彎曲韌性進行了計算分析，研究了彎曲韌性指標(biāo)隨纖維摻量的變化規(guī)律，結(jié)合試驗結(jié)果，對鋼纖維噴混凝土韌性指標(biāo)的相關(guān)性進行了探討；根據(jù)立方體切片實驗，分析了鋼纖維在噴射混凝土中的分布規(guī)律，并將實驗結(jié)果與理論計算進行對比，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對象入手，對隧道噴混凝土單層襯砌的力學(xué)機理進行了研究。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；噴混凝土支護的受力機理分為兩類：局部受力和整體受力；對錨桿在噴混凝土單層襯砌中的支護作用進行了分析。
　　 ⑤通過對隧道圍巖穩(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。采用平直梁簡化力學(xué)模型，建立了隧道單層襯砌支護-圍巖復(fù)合體拱頂失穩(wěn)的尖點突變模型，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拱頂復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
　　 ⑥采用有限元法對鋼纖維噴混凝土單層襯砌進行了數(shù)值模擬，分析了隧道圍巖-支護結(jié)構(gòu)體系的位移場、應(yīng)力場、塑性區(qū)以及支護內(nèi)力的分布規(guī)律和變化特性，探討了不同圍巖級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)場監(jiān)測成果對隧道單層襯砌支護結(jié)構(gòu)進行了穩(wěn)定性評價。
　　 ⑦以摩天嶺隧道通風(fēng)斜井為依托工程，按