GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/8926423 8926423 研究文章 研究加强FRP-PCM方法对隧道衬砌的影响进行动态增强 https://orcid.org/0000 - 0002 - 8603 - 920 x 王 萧山 1 魏 林 1 王 Zaiquan 1 江 茎的 2 3 张 李明 1 孟 Fanzhen 1 https://orcid.org/0000 - 0001 - 7331 - 2345 琮 余 1 温 Zhijie 1 大学的科学 青岛科技大学 青岛 266033年山东 中国 qust.edu.cn 2 矿山灾害预防和控制国家重点实验室基金创办的山东省科学技术部 山东科技大学 青岛266590年 中国 sdust.edu.cn 3 研究生院的工程 长崎大学 长崎852 - 8521 日本 nagasaki-u.ac.jp 2021年 7 10 2021年 2021年 7 9 2021年 25 9 2021年 7 10 2021年 2021年 版权©2021年萧山王等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

近年来,纤维增强塑料(FRP)已广泛应用于混凝土结构的加固领域因其良好的特性,如高强度、低重量、简单的处理和应用,免疫腐蚀,加强隧道效应与FRP网格衬里时应定量评估隧道遇到地震。本研究的目的是评估纤维增强塑料(FRP)加固的影响网格嵌入到聚合物水泥砂浆(PCM)喷射混凝土(FRP-PCM方法)在动态荷载作用下隧道衬里。进行了一系列的数值模拟定量分析FRP-PCM方法的加固效果,考虑隧道施工方法和空腔位置的影响。失败的结果表明,地区衬砌混凝土明显改善CII遇到地面类型时,无论施工方法和空腔位置的影响。与地面的增量类CII DII,轴向应力降低利率 R σ 从13.18%增加到48.60%隧道由NATM构造,而对于那些隧道由NATM构造, R σ 仅仅从0.72%到2.11%不等。 R σ 从43.35%降低到34.80%时衬腔存在的肩膀,而从14.7%减少到0.12%时腔存在于衬砌混凝土的王冠。这些结论可以为地下结构的加固提供有价值的指导。

 重点实验室的基础矿山灾害预防和控制 MDPC202010 山东省自然科学基金 ZR2020MD111 ZR2020ME099 ZR2019BEE051 泰山学者计划 2019年rkb01083 2019年kjg002 中国国家自然科学基金 52179104 51808306 51879135 1。介绍

尽管地下结构的动态力学行为,如隧道和地下洞穴,被认为是更好的比表面结构,一些现有的隧道仍然近年来已经被地震严重破坏( 1- - - - - - 8]。开裂、剥落和漏水发生地震会显著影响隧道的安全操作。现有地下混凝土结构的维修和加固已成为土木工程活动的重要组成部分。

采取了一系列的方法来有效地提高混凝土结构的完整性在现有隧道,其中典型的是注浆加固方法,纤维增强混凝土喷射(FRS)方法( 9- - - - - - 13[],碳纤维布(CFS)方法 14- - - - - - 16)、钢铁板法( 17,纤维增强塑料(FRP)方法( 18, 19]。由于良好的特性,如高强度、低重量、简单的处理和应用,对腐蚀和免疫力,玻璃钢加固钢筋混凝土(RC)结构材料已成为常用的工程领域。钢筋的山隧道、FRP网格嵌入到聚合物水泥砂浆(FRP-PCM)喷射混凝土(FRP-PCM方法)通常使用。在FRP-PCM方法,FRP网格牢固安装在现有的隧道衬砌混凝土与混凝土锚(见图 1(一))。有人指出FRP网格不应损坏在钻井或紧固锚。FRP网格的安装后,聚合物水泥砂浆(PCM)是表面喷洒FRP网格如图 1 (b)。

强化过程FRP-PCM方法。

安装FRP网格

聚合物水泥砂浆的喷雾

近年来,大量的研究已经进行了探讨加强FRP网格动态负荷的影响。酋长和邱 20.)进行了一项实验计划在12列标本进行测试在恒定轴向载荷和循环横向荷载来模拟地震载荷,发现强度、延性和能量吸收能力的列可以提高利用玻璃钢。邹et al。 21]提出了一种优化技术,基于性能的地震玻璃钢钢筋混凝土(RC)建筑的改造设计框架,讨论了该过程的有效性和认证通过一个数值例子。Antoniades et al。 22)进行循环测试地震受损与FRP加固钢筋混凝土墙的加强,和测试结果表明,试样的强度由玻璃钢钢筋条增加到大约30%对传统的修复方法。林等。 23)实验研究了行为FRP-confined混凝土在循环压缩试验,得出了许多重要的结论,包括一个包络曲线的存在和加载的循环累积效应。周et al。 24)进行动态三点弯曲和轴向破碎试验探讨单向碳纤维增强塑料复合材料的动态破碎特性,结果表明,分层中起关键作用的动态弯曲变形。杰罗姆和罗斯( 25)数值模拟混凝土梁的动态响应与碳纤维增强塑料用落锤冲击试验,数值结果显示当地的梁的位移行为遭受强脉冲负载。

尽管大量研究钢筋混凝土结构的行为与FRP进行加固,进行了一些研究,加强FRP-PCM方法对隧道衬砌的影响下的动态负载。在目前的研究中,进行了一系列的数值模拟基于有限差分法(FDM)定量分析的增强效果FRP-PCM方法在动态负荷下,考虑隧道施工方法和空腔位置的影响,这些分析结果可以为地下结构的加固提供有价值的指导。

 2。数值模型设置 2.1。数值模拟

新奥地利隧道方法(NATM)和Fore-piling方法(FM)是两种常用的方法,采用隧道在浅或松散的地面(Kitamoto et al ., 2004)。在目前的研究中,四种类型的数值模型如图 2建立了利用有限差分法(FDM)和前两个模型(参见图吗 2(一个)和 2 (b))选择调查的施工方法对加固效果的影响FRP-PCM方法。因为蛀牙隧道衬砌和围岩之间通常存在遇到山隧道建设的调频方法,腔是假定存在皇冠(见图 2 (c)在肩(见图)或 2 (d))的数值模型来研究腔位置的影响增强效果。那些蛀牙占地60°角和厚度30厘米。喷射混凝土和二次衬砌的厚度NATM方法设置为15厘米,30厘米,分别和衬砌厚度调频方法选为45厘米。强化区域FRP-PCM方法占地弧长180°上墙隧道如图 3,充填采矿进行隧道的蛀牙。隧道有限元网格衬里是复制,而加强的影响FRP-PCM衬垫元素(调查的方法 26]。

数值模型的设置。

NATM

调频(无腔)

皇冠调频(腔)

调频(腔的肩膀)

加强地区FRP-PCM方法。

 2.2。边界条件

为了减少计算时间和保证计算精度,从墙的水平距离隧道主要网格模型的边界确定为2 D ( D 隧道的开挖宽度等于10 m)根据预先计算。应用动态负载输入模型的底部,通常由面波传播通过底层岩石向上。声波测井的边界条件被选中在地震分析最小化波反射,和外侧边界网格的主要是声波测井耦合网格边界由一系列的粘滞阻尼器,如图 4( 26]。通过,面波传播向上冲浪没有变形的边界,因为自由场网格与无限供应的条件是相同的模型。横向阻尼器不做运动,如果主要电网统一没有表面结构,自自由场网格执行相同的作为主要的网格,而减震器吸收能量的方式安静边界的主要网格运动不同于自由。

声波测井边界进行动态分析。

 2.3。机械性能

三种类型的地面列为CII DI, DII一般山隧道施工中遇到在日本( 27)选为围岩的数值分析和力学行为表中列出 1。利用聚氨酯材料作为充填采矿材料由于其快速硬化和高强度,充填采矿材料的机械性能和衬砌混凝土也总结表 1。的机械行为FRP-PCM层和混凝土之间的界面层,得到基于一系列的直接剪切试验在我们之前的研究 28总结在表),这些值 2。

力学行为的地面、衬里和充填采矿的材料。

属性 地面类 衬里 充填采矿的材料
CI 人民共和国 迪 DII
γ (kN /米3) 23.5 22.6 21.6 20.6 24 9.8
E (MPa) 1960年 980年 490年 147年 24500年 12
v 0.3 0.3 0.35 0.35 0.2 0.13
c (MPa) 1.96 0.98 0.49 0.196 6.99 0.5
φ (度) 45 40 35 30. 40 10
σ t (MPa) 0.39 0.42 0.19 0.06 3 0.2

PCM FRP网格和材料的力学性能。

弹性模量(MPa) 抗压强度(MPa) 抗拉强度(MPa) 凝聚力(MPa) 内摩擦角(°) 横截面积的网(毫米2)
FRP网格 CR4 1 × 10 5 - - - - - - 1400年 2.22 17.7 6.6
CR6 17.5
CR8 26.4
脉码调制 2.6 × 10 4 59.3 4.6 - - - - - -
2.4。输入运动

与人工地震波和简谐波相比,实际地震波从类似的网站更具代表性岩石时的实际情况的基础受到地震载荷。在目前的研究中,输入运动记录Ojiya观测站点的城市在M6.8 Chuetsu近海地震发生7月16日,2007年,日本新泻县。地震时强度和峰值加速度的分布如图所示 5。自岩石地基和建筑物遭受横波时更容易损坏,与一个压缩相比,水平分量的运动(见图 6)采用数值分析。最大加速度是观察到约27.8年代,价值约330加。自地下隧道的稳定性主要是由最大加速度控制在地震期间,为了减少计算时间,输入运动的间隔从20.8到30.8年代中提取并利用后者的数值分析。

分布的强度和峰值加速度记录Ojiya观测站点的城市在M6.8 Chuetsu近海地震发生7月16日,2007年,日本新泻县。

强度的分布

分布的峰值加速度

输入运动采用数值模拟。

 3所示。数值结果 3.1。加固效果与NATM隧道建造

图 7显示了塑性破坏区域的分布对隧道衬砌混凝土由NATM构造。无钢筋的情况下,塑料失败地区首次出现在底部角落和内心的肩衬混凝土和逐渐扩大的增量地类(参见图 7(一)- (c))。DII地面类型、塑性破坏区域发展的内层和外层的衬砌混凝土。失败与FRP网格加固后,塑料带的肩膀减少底部角落可以观察到,只有当遇到CII地面(图类型 7(d))。塑料失败地区内的左肩时大大减少隧道周围的DI地面(图类型 7(e))。

塑料失败对隧道衬砌混凝土由NATM区域。

隧道衬砌变形通常是由轴向应力平行隧道壁和径向应力垂直于隧道壁。由于轴向应力约两个数量级大于径向,只有轴向应力的变化分析了目前的研究来说明FRP-PCM方法的加固效果。轴向应力分布对隧道衬砌混凝土由NATM构造图所示 8。在这些数据中,积极的符号表示压应力,而负的符号表示拉应力。由于输入运动水平剪切信号,最大张力和压缩应力发生在隧道衬砌的左、右肩,分别。最大拉应力也可以观察到的底部角落衬砌混凝土由于应力集中。底部的最大张力压力角或肩衬混凝土2.77 MPa, 4.73 MPa,和9.56 MPa,分别对应于地面类型的人民共和国,DI和DII(数字 8(一)- 8(c))。与FRP网格加固后,那些最大拉力压力降低到2.75 MPa, 4.63 MPa,分别和9.53 MPa(数字 8(d) - 8(f))。

轴向应力分布对隧道衬砌混凝土由NATM(单位:Pa)。

 3.2。加强对隧道采用调频的影响

图 9显示了塑性破坏区域的分布对隧道衬砌混凝土由调频。塑性破坏区域可以观察到在正确的内层衬砌混凝土,如图 9(一)人民共和国地面类型。地面类的增加,围岩的强度降低,塑性失效区域都发生在左外,对衬砌混凝土(数据内在的一面 9(b)和 9(c))。与FRP网格加固后,几乎没有塑性破坏区域观察到当遇到CII地面(图 9(d))和塑性破坏区域明显下降时,其他两种类型的地面遇到(数字 9(e)和 9(f))。

塑料失败地区对隧道衬砌混凝土由调频。

轴向应力分布对隧道衬砌混凝土由调频是描绘在图 10。横向剪切载荷下的最大张力和压应力出现在双方的衬里的肩膀。最大拉应力主要发生在左内边衬砌混凝土,和最大压缩一个几乎可以观察到内部的混凝土衬砌。最大压缩应力是2.2 MPa, 8.28 MPa, 14.16 MPa(数字 10(一)- 10(c)),分别对应于CII类型,DI, DII地面。与FRP网格加固后,这些压缩值降低到1.91 MPa, 4.81 MPa,分别和7.42 MPa(数字 10(d) - 10(f))。

轴向应力分布对隧道衬砌混凝土由调频(单位:Pa)。

 3.3。为隧道加固效果与腔的肩膀

塑性破坏区域对隧道衬砌混凝土与腔的肩膀图所示 11。由于存在空腔的肩膀,衬砌混凝土的抗弯刚度降低,导致更大的塑料失败地区出现在腔的位置。像之前提到的,整形失败的地区也可以生成的肩衬混凝土由于横向剪切载荷的应用。与FRP网格加固后,衬砌混凝土的塑性破坏区域类型CII地面(图消失了 11(d)),这些塑料失败地区急剧减少的其他两种类型的地面(人物 11(e)和 11(f))。

塑料失败地区对隧道衬砌混凝土与腔的肩膀。

轴向压力对隧道衬砌混凝土与腔的肩膀是绘制在图 12。空腔的存在的肩膀减少衬砌混凝土的抗弯强度,应力集中是容易发生在薄衬砌混凝土,导致轴向应力在这些位置的值。最大值在腔的三种类型的地面4.90 MPa, 8.10 MPa, 10.06 MPa(数字 12(一)- 12(c)),分别和这些值降低到2.77 MPa, 4.33 MPa和6.56 MPa和FRP加固后网格(数字 12(d) - 12(f))。

轴向应力分布对隧道衬砌混凝土与腔的肩膀(单位:Pa)。

 3.4。加强影响隧道与腔的皇冠

隧道与腔的塑性破坏区域顶部的皇冠是首次发现衬砌混凝土(图的右肩 13(a))。随着地面类,塑料失败地区发展,主要集中在正确的内心,内心的衬砌混凝土。失败地区消失后加强与FRP网格类型CII地面(图 13(d))和不显著降低其他两种类型的地面(数字 13(e)和 13(f))。

塑料失败地区对隧道衬砌混凝土腔皇冠。

对隧道衬砌混凝土的轴向应力分布与腔冠如图 14。的最大压应力值的右肩衬是2.08 MPa, 5.89 MPa,和8.35 MPa,分别对应于地面(图的三种类型 9(一)- 9(c))。和这些值减少到1.86 MPa, 5.59 MPa,分别和8.34 MPa(数字 9(d) - 9(f))。

轴向应力分布对隧道衬砌混凝土与王冠上的空腔(单位:Pa)。

 4所示。讨论

图 15显示了地上类之间的关系,最大轴向应力钢筋混凝土衬砌,无钢筋情况。最大轴向应力增加衬砌混凝土与地面课,不管隧道施工方法,空腔的存在,加强与FRP网格。然而,对于隧道由NATM,拟合曲线的轴向应力钢筋的和无筋几乎增加非线性,表明岩石强度降低,衬砌混凝土的轴向应力增加显著(图 (15日))。两个拟合曲线还表明,轴向应力很少降低后加强对隧道由NATM FRP网格。轴向应力的拟合线隧道由调频线性增加,如图 15 (b)。强化病例和无筋情况下的拟合曲线相交于地上的人民共和国,表明加固效果不明显时遇到CII地面类型。增量的地类,减压节目更为重要与FRP网格加固后,表明更好的增强效果可以得到当遇到一个较弱的围岩。尽管衬砌混凝土的轴向应力增加而增加地面课当一个腔存在于隧道衬砌的肩膀,拟合曲线的斜率显示略有衰减,表明加固效果与FRP网格增加与地面的增量类(图 15 (c))。而对于那些隧道腔皇冠,拟合曲线几乎相交于点类(即最大的地面。、类DII)如图 15 (d),这表明加强FRP-PCM方法的效果并不明显,更高等级的地面。

最大轴向应力的变化对混凝土衬砌。

NATM

调频

腔的肩膀

腔的皇冠

为了调查FRP-PCM方法定量的强化效应,减少轴向速度 R σ 定义如下计算: (1) R σ = σ n r − σ r σ n r × One hundred. % , 在哪里 σ n r 是无钢筋轴向作用于衬砌(MPa)和 σ r 中获得的轴向应力强化病例(MPa)。由于轴向应力应力平行隧道衬砌原则,减少轴向力率代表的程度减少轴向应力与FRP加固后网格。

图 16显示了轴向应力之间的关系还原速度和地面课,考虑施工方法。 R σ 增加而增加地面类隧道由调频,显示钢筋的性能更大更高类型的地面时遇到的。与地面类从CII DII的增量, R σ 从13.18%增加到48.60%。而对于那些隧道由NATM构造, R σ 仅仅从0.72%变化到2.11%,这表明,强化不明显的性能。

轴向应力减速率对隧道衬砌混凝土由不同的方法。

图 17显示了轴向应力之间的关系还原速度和地面课,考虑腔的存在。 R σ 随地面班上增加,表明钢筋的性能弱当更高类型的地面。与地面的增加类CII DII, R σ 从43.35%降低到34.80%时衬腔存在的肩膀,而从14.7%减少到0.12%时腔存在于衬砌混凝土的王冠。结果还表明,钢筋的性能更大时存在一个腔的肩膀。

轴向应力减速率对隧道衬砌混凝土腔。

 5。结论

在目前的研究中,动态负载下的FRP-PCM方法的加固效果进行了调查的基础上,数值分析,考虑隧道施工方法和隧道洞的位置。在推进这项工作,都得出以下结论:

衬砌混凝土的塑性破坏区域明显改善CII遇到地面类型时,无论施工方法和空腔位置的影响

隧道由NATM构造的轴向压力对衬砌混凝土与地面类的增加急剧增加,这仅仅轴向应力变化与FRP加固后网格。对于那些隧道由调频时,加固效果改进的增量地类

仅仅衬砌混凝土的轴向应力变化与FRP加固后电网的隧道皇冠上的空腔,并观察到良好的补强性能的情况下与腔的肩膀,而皇冠上的空腔

只考虑CR8网格在地震载荷下的数值模拟。在未来,各种类型的FRP网格,如CR4和CR6应该讨论调查FRP-PCM方法的加固效果

与地面类从CII DII的增量, R σ 从13.18%增加到48.60%隧道由NATM构造,而对于那些隧道由NATM构造, R σ 仅仅从0.72%到2.11%不等。 R σ 从43.35%降低到34.80%时衬腔存在的肩膀,而从14.7%减少到0.12%时腔存在于衬砌混凝土的王冠

数据可用性

如果需要原始数据可以应用。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

 确认

我们感激地承认金融支持下中国国家自然科学基金委的批准号。51879135,51808306,52179104。这项工作也由泰山学者计划(2019 kjg002和2019 rkb01083),山东省自然科学基金(ZR2019BEE051, ZR2020ME099, ZR2020MD111)的基础矿山灾害预防和控制的重点实验室(MDPC202010)。

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