钢纤维混凝土韧性特征及其支护力学行为研究

论文摘要

近年来我国公路、铁路向着大流量、高速度方向快速发展,出现了大量的隧道工程,而且往往成为整条线路的控制工程。隧道衬砌作为整个隧道承载结构的主要部分,其承载能力和耐久性决定着整个隧道施工及运营期间内的安全和稳定性。隧道建设发展到今天,其设计在结构上已经不再是问题,目前我们面临的是如何解决快速施工、安全支护、隧道围岩/岩体的“稳定与变形”以及耐久性等问题。（喷）混凝土作为隧道及地下工程建筑支护结构中的主要材料,存在脆性大、抗弯拉强度低等缺陷,因此在地质条件较差的地段,为改善喷混凝土的性能,使其取得良好的支护效果,不得不借助敷设钢筋网等手段。钢筋网施工工艺复杂,施作时间较长,往往不能形成及时支护,而且在挂网背后形成空洞,形成安全隐患。采用钢纤维混凝土是解决上述问题的一种有效途径。本文通过室内模型试验和数值模拟研究的方法,对钢纤维混凝土在隧道支护结构中的力学原理进行了初步探索,并考虑在初期支护中代替喷混凝土+钢丝网进行优化设计。主要结论及成果如下：1、通过现场制作和室内加载,进行了钢纤维喷射混凝土标准试件三分梁弯曲韧性试验,对钢纤维喷射混凝土的韧性性能和裂后承载能力进行分析,并确定了钢纤维喷射混凝土的合适掺量；2、应用塑性铰模拟钢纤维混凝土的裂后抗弯性能,通过数值计算方法得到钢纤维混凝土支护结构的支护特性曲线,为使用钢纤维混凝土进行支护设计提供了参考；3、以几何相似比（1：20）和容重相似比（1：1）为基础相似比,实现在弹性范围内对各控制性物理力学参数的相似性,进行钢纤维混凝土支护结构室内模型试验,研究钢纤维混凝土衬砌的力学行为特征。这是在国内外首次进行的针对钢纤维混凝土隧道支护结构的室内大比例相似模拟试验；4、应用有限元软件ANSYS,以某一公路隧道为背景,对钢纤维混凝土支护结构内力、围岩应力、应变场进行计算和分析,得到可以使用钢纤维混凝土代替喷混凝土加设钢筋网或格栅拱架等进行单独支护的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外应用及研究现状
• 1.3 本文主要研究内容及方法
• 第2章 钢纤维混凝土的基本特征及其弯曲韧性试验研究
• 2.1 钢纤维混凝土的强度特征
• 2.1.1 抗压强度
• 2.1.2 抗拉强度
• 2.1.3 抗弯强度
• 2.1.4 抗剪强度
• 2.2 钢纤维混凝土的增强机理及其计算方法的统一
• 2.2.1 钢纤维混凝土增强机理
• 2.2.2 强度计算的统一
• 2.3 钢纤维混凝土增强性能的影响因素
• 2.4 钢纤维混凝土弯曲特征及其试验研究
• 2.4.1 试件制备
• 2.4.2 试验装置及方法
• 2.4.3 试验结果分析
• 第3章 钢纤维混凝土在地下工程支护结构中的应用
• 3.1 地下结构支护对象分析及其设计方法
• 3.1.1 围岩压力分析及其计算方法
• 3.1.2 现代支护设计方法
• 3.1.3 特征曲线法原理简介
• 3.2 围岩特征曲线数值分析
• 3.2.1 模型建立
• 3.2.2 数值模拟计算结果分析
• 3.3 混凝土支护结构的力学特性及其支护特性曲线
• 3.3.1 支护结构的力学特性
• 3.3.2 喷混凝土支护特性数值分析
• 3.4 钢纤维混凝土支护特性曲线分析
• 3.4.1 钢纤维混凝土支护结构的作用机理
• 3.4.2 钢纤维混凝土塑性铰及塑性弯矩
• 3.4.3 钢纤维混凝土支护特性数值分析
• 3.5 特征曲线综合分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 钢纤维混凝土支护特性模型试验研究
• 4.1 模型试验概况
• 4.2 相似关系确定
• 4.2.1 相似定理
• 4.2.2 试验相似关系确定
• 4.2.3 试验相似材料及其物理力学参数
• 4.3 模型试验装置和测量仪器
• 4.3.1 试验装置
• 4.3.2 试验测试仪器及测试内容
• 4.4 试验过程及结果分析
• 4.4.1 测点布置和试验过程
• 4.4.2 试验结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 钢纤维混凝土支护结构数值模拟
• 5.1 模型建立
• 5.1.1 数值计算模型
• 5.1.2 模型参数确定
• 5.2 钢纤维混凝土衬砌支护过程数值模拟
• 5.2.1 隧道开挖及支护过程模拟
• 5.2.2 安全系数计算
• 5.2.3 数值模拟计算结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目