鋼纖維噴射混凝土力學特性及其在隧道單層襯砌中的應用研究.pdf

1、噴射混凝土技術，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件或配合或單獨地作為結構物的永久支護，維護結構物的長期穩(wěn)定和安全使用。近年來，為了適應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、中得以應用，但一直以來對其力學特性及隧道單層襯砌相關性問題的研究還不夠深入。本文結合國家自然科學基金重點項目(50334060)和國家自然科學基金創(chuàng)新群體基金(50621403)，在前人研究的基礎上，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特性及其在隧道單層襯砌中的應用進行了較為系統(tǒng)和深入的研究。本文的主要研究內容和成果如下：
　　 ①研究了鋼纖維對混凝土的增強機理。根據(jù)鋼纖維噴混凝土應力-應變

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，推導出了裂后彎矩與極限彎矩的關系表達式；并從復合材料力學和斷裂力學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、粘結強度以及抗?jié)B性能等基本力學特性，掌握了鋼纖維噴混凝土的力學性能與摻量關系，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、凝土力學特性控制指標。
　　 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隨纖維摻量的變化規(guī)律，結合試驗結果，對鋼纖維噴混凝土韌性指標的相關性進行了探討；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)出兩種不同的力學傳遞：一種是從影響支護應力狀態(tài)的圍巖向外部傳遞，另一種是應力內部的傳遞；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合結構的穩(wěn)定性。采用平直梁簡化力學模型，建立了隧道單層襯砌支護-圍巖復合體拱頂失穩(wěn)的尖點突變模型，導出了其失穩(wěn)的充要力學條件判據(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式，并討論了受力狀況變化對拱頂復合結構穩(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-支護結構體系的位移場、應力場、塑性區(qū)以及支護內力的分布規(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構進行了穩(wěn)定性評價。
　　 ⑦以摩天嶺隧道通風斜井為依托工程，按