基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析与优化
《铁道学报》第33卷总目次
《 道学报 》 ３ 铁 第 ３卷 总 目次
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《 道 学 报 ３ 铁 第 ３卷 总 目次
第 １期
铁 路 客 运 站 股 道 运 用 窗 时排 序模 型 与 算 法 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …… … 张 英 贵 ， 定 猷 ， 雷 汤 波 ， （１） 等 客 运 专 线 动 车 组 运 用 计 划 优 化模 型 与 算 法 … … … …… … … … … … … … … … … … … … … … … … 史 峰 ， 文 梁 ， 宇 卫 ， （８） 周 郁 等 车 轮 多 边 形 磨 耗 机 理 的有 限元 研 究 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 陈 光 雄 ， 学 松 ，邬 平 波 ， （４ 金 等 １） 基 于 损 伤 函 数 的钢 轨 滚 动 接 触 疲 劳研 究 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 丁军 君 ，张 良威 ， 李 芾 （９ １） 轮 轨 多 点 接 触 计 算 方 法 研 究 … …… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 任 尊 松 （５ ２） 基 于大容量 Ｓ ＶＣ的 Ｓ ＯＴ 变 压 器 电能 质 量 治 理 方 案 及 应 用 … … … … … … … …… … … … … 王 卫 安 ， 桂 卫 华 ， 张定 华 ， （ １ Ｃ Ｔ 等 ３） 低 成 本 列 车 组 合 定 位 系 统 容 错 算 法 设 计 … …… … … … … … … … … … … … … … … … …… …… … … 刘 江 ， 伯 根 ， 蔡 唐 涛 ， （ ９ 等 ３） 基 于 人 工 鱼 优 化 的 ＭＰ超 声 微 弱 信 号 提 取 方 法 研 究 … … … … … … … … … … …… … … … … … … … … … … … … 齐 爱玲 ， 宏 伟 （７ 马 ４） 基 于 领 域 本 体 模 型 的概 念 语 义相 似 度 计 算 研 究 … … … … … … … … … … … … … … …… … … … … … … … … … … 刘 紫 玉 ， 黄 磊 （ ２ ５） ＡＲ ＮＥ 网 络 系 统 实 时 性 能 分 析 与研 究 … … … … … … … … … … … … … … … …… … … … … … … 聂 晓 波 ， 立 德 ，申 萍 ， （ ８ Ｃ Ｔ 王 等 ５） 定 位 像 素 篡 改 的 安 全 脆 弱 水 印算 法 … … … … … … … … … … … ・ … … … … … … … … … … … … … … … … … … ・ … ・陈 帆 ， 宏 霞 （ ３ 王 ６） 弹性 支 承 块 式 无 砟 轨 道 结 构 参 数 动力 学 优 化 设 计 … … … … … … … … … … … ，徐 鹏 （ ９ ６） 客运专 线 ４ ２号 无 砟 轨 道无 缝 道 岔 设 计 方 法 研 究 … … … … … … … … … … … … … … … … …… …… 高 亮 ， 曲 村 ，陶 凯 ， （ ６ 等 ７） 京 沪 高 速 铁 路 Ｃ Ｇ 桩 一 复 合 地 基 现场 试 验 研 究 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 张继 文 ， 俊 铖 ， 永 明 ， （ ３ Ｆ 筏 曾 涂 等 ８） 活 性 粉 末 混 凝 土 空 心 桥 墩 恢 复 力 模 型试 验 研 究 … … … … … … … … …… … … … … … … … … … … … … 郝 文 秀 ， 铁 毅 ，赵 冠 远 （ ９ 钟 ８） 桥 梁 结 构 空 心 构 件 梯 度 温 度 参 数 研 究 … … … … … …… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 林 迟 ，欧进 萍 （４ ９） 用 碱 矿 渣胶 凝 材 料 粘 贴 碳 纤 维 布 加 固组 合 梁受 力 性 能 试 验 研 究 … … … … … … … … … … … … … … … 郑 文 忠 ，朱 晶 ， 伟 宏 （０ ） 陈 １１ 基 于流 固耦 合 的 水 底 隧 道 仰 拱 受 力 分 析 与 优化 … … …… … … … … … … … … … … … … … … … … … … 张 志 强 ，师 晓权 ，何 川 （０ ） １８
基于计算流体力学的水下结构流固耦合分析
基于计算流体力学的水下结构流固耦合分析水下结构是指在水中或水下建设的各种工程结构，常见的有海洋平台、潜水器、海底隧道等。
由于水流对水下结构的影响不容忽视，流体和结构之间的相互作用问题成为研究的重点之一。
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）是一种基于数值方法对流体运动进行模拟和分析的工程技术，已经广泛应用于水下结构流固耦合分析。
一、水下结构流固耦合分析的意义水下结构受到水流作用时会产生流体力学效应，如波浪冲击、水动力荷载、湍流涡脱落等。
同时，结构的运动又会影响周围流场，例如对流体的阻力、速度分布等产生影响。
因此，水下结构流固耦合分析能够提供结构响应、流场变化以及相互作用过程的详细信息，对结构的稳定性和安全性评估、设计优化以及结构响应预测等具有重要意义。
二、基于计算流体力学的水下结构流固耦合分析方法1.建立数学模型首先，需根据实际情况选择合适的流场模型，如雷诺平均Navier-Stokes方程、稳态或非稳态流动方程。
同时，还需要根据水下结构自身特点建立相应的固体模型，如弹性体或刚性体模型。
2.网格划分网格划分是计算流体力学中的重要步骤，其质量直接影响计算结果的准确性和计算精度。
为了减小误差，在不同区域可以采用不同的网格密度，并合理设计边界层网格。
3.边界条件设定为了模拟真实条件，需要合理设定边界条件。
例如，在水下结构流固耦合分析中，可以设定入口出口处的流速、压力，以及水下结构表面的粗糙度等。
4.数值计算和求解通过数值方法对建立的数学模型进行求解，常见的方法有有限体积法、有限元法和边界元法等。
通过迭代计算可以得到结构的响应和流场的变化。
5.结果评估和分析根据计算结果进行评估和分析，对结构的稳定性和性能进行评价。
可以通过对结构位移、应力、速度等参数的分析，得出结论并指导工程设计的改进。
三、计算流体力学在水下结构工程中的应用1.海洋平台的耐浪性能评估对于海洋平台而言，受到海洋波浪的冲击是一个重要的考虑因素。
高速公路隧道仰拱底鼓破坏机理分析及处治措施
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里程桩号 ｌ Ｚ Ｋ Ｉ Ｔ ￣ １ － ８ ８ ０＋ 。 ’ ５ ５ ｚ Ｋ ７ ２ ２ ＋ ０ ０ ５
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仰 拱 及 二 次 衬砌 进行 拆 换 ， 成 功地 治理 了 隧 道 仰 拱 底 鼓 破 坏 病 害 。 关键词 隧 道 仰 拱 底 鼓 机 理 分 析 处 治 措 施
仰 拱是 隧道 衬 砌 结 构 的主 要组 成部 分 之 一 ，
它 是为 改善 上部 支护 结构 受力 条件 而设 置在 隧道 底 部 的反 向拱形结 构 。隧道仰 拱对 提高 隧道 结构 的承载 力 ， 抑 制 围岩 内塑性 区的扩展 ， 约 束 隧道洞 周 位移 的发 展 ， 提 高衬 砌 结 构 的安 全 度 等方 面都 有 非常 重要 的作 用［ １ ］ 。它一 方 面要将 隧道 上 部 的 地 层压力 通 过隧 道边 墙结 构或 将路 面上 的荷 载有
鼓破 坏进 行 现场 调 查 ， 分 析 隧 道仰 拱底 鼓 破 坏 病
隧道场 区覆 盖为 第 四系黄 、 黄褐 色亚 粘土 、 碎 石土 ， 下伏 基岩 为 三 叠 系下 统 夜 郎组 第 一 段 粉 砂 质泥 岩 、 二 叠 系上统 长兴 大隆组 灰 岩 、 二 叠系上 统
龙 潭 组 煤 系地 层 粉 砂 岩 、 泥质粉砂岩 、 泥 岩 及 煤
层， 见图 １ 。
害原 因 ， 并 提 出相 应 的处治 措施 ， 为类 似 工程建 设
提供 经验 及 教训 。
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铁路隧道仰拱与填充混凝土一体浇筑技术研究
铁路隧道仰拱与填充混凝土一体浇筑技术研究作者：***来源：《西部交通科技》2024年第02期作者簡介：赵玉龙（1982—），高级工程师，主要从事隧道及地下工程勘察设计与研究工作。
摘要：矿山法隧道衬砌多为封闭的环形承载结构，考虑仰拱与填充混凝土不同的承载作用，多年来隧道设计理论及施工工艺方面均要求仰拱与填充混凝土分开浇筑。
但是，仰拱与填充混凝土分开浇筑存在工艺复杂，严重影响施工进度的问题。
为了解仰拱与填充混凝土分开浇筑与一体浇筑时隧道的受力差异，推进隧道下部结构混凝土快速浇筑技术，文章通过理论分析计算和现场实测等手段，对双线铁路隧道下部结构分开浇筑与一体浇筑两种技术进行研究，得出以下主要结论：基于现状双线铁路隧道结构及沟槽布置型式，Ⅱ、Ⅲ级围岩地段仰拱与填充混凝土可一体浇筑，Ⅳ级围岩地段局部布置少量钢筋后，也可一体浇筑；Ⅴ级围岩地段一体浇筑需大范围调整钢筋设置，建议采用分开浇筑方案；双线隧道下部结构沟槽处是结构受力的薄弱部位，对于地质条件复杂、围岩荷载大的地段，结构安全系数低，如采用一体浇筑技术，应通过调整结构及沟槽布置型式、钢筋布置等方法，改善结构受力状态，提高结构安全性；采用一体浇筑技术可大幅提高施工效率，简化工艺流程。
关键词：铁路隧道；仰拱；仰拱填充；一体浇筑；分开浇筑中图分类号：U455.40 引言矿山法铁路隧道仰拱作为隧道主体结构的重要组成部分，为反向拱形结构，位于隧道底部与拱墙衬砌共同形成的封闭环形承载结构中。
仰拱填充位于仰拱上方，其主要作用为找平仰拱弧面、传递轨道及列车荷载，仰拱填充通常为低强度素混凝土结构。
由于两者具有不同的功能与作用，属于不同的受力体系，根据隧道行业的规定[1-4]、设计理论及施工工艺，均要求仰拱与填充混凝土分开浇筑。
二者分开浇筑时仰拱顶部需设置弧形模板以保证仰拱结构轮廓符合设计要求，其施工工艺复杂，且仰拱混凝土需终凝后方可浇筑仰拱填充混凝土，严重影响隧道施工效率。
流固耦合——精选推荐
流固耦合流固耦合定义：它是研究变形固体在流场作⽤下的各种⾏为以及固体位形对流场影响这⼆者相互作⽤的⼀门科学。
流固耦合⼒学的重要特征是两相介质之间的相互作⽤,变形固体在流体载荷作⽤下会产⽣变形或运动。
变形或运动⼜反过来影响流，从⽽改变流体载荷的分布和⼤⼩，正是这种相互作⽤将在不同条件下产⽣形形⾊⾊的流固耦合现象。
(⼀)流固耦合动⼒学：求解⽅法与基本理论---张阿漫，戴绍仕●有限元法●边界元法●SPH法与谱单元法●瞬态载荷作⽤下流固耦合分析⽅法●⼩尺度物体的流固耦合振动●⽔下⽓泡与边界的耦合效应按耦合机理分两⼤类：1 耦合作⽤只发⽣在两相交界⾯---界⾯耦合（场间不相互重叠与渗透），耦合作⽤通过界⾯⼒（包括多相流的相间作⽤⼒等）起作⽤。
它的计算只要满⾜耦合界⾯⼒平衡，界⾯相容就可以了（其耦合效应是通过在⽅程中引⼊两相耦合⾯边界条件的平衡及协调关系来实现的）。
如⽓动弹性，⽔动弹性等。
按照两相间相对运动的⼤⼩及相互作⽤分为三类：(1)流体和固体结构之间有⼤的相对运动问题"最典型的例⼦是飞机机翼颤振和悬索桥振荡中存在的⽓固相互作⽤问题,⼀般习惯称为⽓动弹性⼒学问题"(2)具有流体有限位移的短期问题"这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或冲击引起"其特点是:我们极其关⼼的相互作⽤是在瞬间完成的,总位移是有限的,但流体的压缩性是⼗分重要的"(3)具有流体有限位移的长期问题"如近海结构对波或地震的响应!噪声振动的响应!充液容器的液固耦合振动!船⽔响应等都是这类问题的典型例⼦"对这类问题,主要关⼼的是耦合系统对外加动⼒荷载的动态响应"2 两域部分或全部重叠在⼀起，难以明显的分开，使描述物理现象的⽅程，特别是本构⽅程需要针对具体的物理现象来建⽴，其耦合效应应通过建⽴与不同单相介质的本构⽅程等微分⽅程来体现。
按耦合求解⽅法分两⼤类：1 直接耦合求解：直接耦合是在⼀个求解器中同时求解不同物理场的所有变量，需要针对具体的物理现象来建⽴本构⽅程，其耦合效应通过描述问题的微分⽅程来体现。
隧道降水施工对既有市政管线隧道影响
隧道降水施工对既有市政管线隧道影响浅议摘要：随着城市的发展，基础设施的建设获得了较快的发展，特别是市政管线隧道施工在市政基础设施建设中起着至关重要的作用。
本文笔者以具体的城市隧道的降水施工为案例，分析了隧道施工对既有市政管线的影响，总结出了既有市政管线隧道的受力特征以及变化规律，进而为降水施工提供依据，保证隧道结构的安全性，实现城市的和谐有序发展。
关键字：隧道；降水施工；既有市政管线隧道；受力；沉降中图分类号：u45 文献标识码：a 文章编号：城市规模的扩大和经济的飞速发展，推动了城市化的进程，对交通提出了更高的要求，地铁由于具有运量大、环保舒适的优点，成为城市的重要公共交通形式。
但是在隧道的施工中会对既有的市政管线隧道产生较大的影响，在降水施工中会引发沉降变化，为了保证市政管线的正常运作，需要对产生的影响进行分析，并采取一定的辅助措施，确保隧道结构的安全性符合发展的需要。
一、隧道降水施工概述隧道降水施工是城市发展的必然要求，对城市的发展起着重要的促进作用，但是在降水施工过程中，势必会对既有的管线隧道产生一定的影响。
在施工中，会导致既有隧道的围岩水位以及应力场的变化，这样原有的力学平衡状态别打破，造成了位移和结构内力的改变，严重的威胁了隧道的结构安全。
在隧道降水施工中的压力较大的情况下，会造成既有的污水管道、煤气管道以及自来水管道的变形甚至损坏，进而产生煤气泄漏、自然水流失等严重情况，可见在对隧道降水施工时，要充分考虑对既有管线隧道的影响。
以某市新建地铁为例，该隧道穿过市政的污水、煤气以及自来水管道，由于地下水位在地表下四米左右，所以需要借助暗挖法进行降水施工，即将保证地下水位低于隧道仰拱设计标高。
可见在市政建设中，对隧道的降水施工非常普遍，需要借助一定的理论为依据，加强施工对既有管线隧道的影响，明确施工后的结构力学以及位移的变化规律。
二、隧道降水施工对既有管线隧道影响的理论分析利用流固耦合基本理论对隧道降水施工对既有管线隧道影响进行分析是重要的理论，由于流体在介质中不断流动，孔隙中的水压力如果消散便会引起介质的位移变化。
《基于流固耦合的地铁深基坑地下水渗流影响及变形控制技术研究》
《基于流固耦合的地铁深基坑地下水渗流影响及变形控制技术研究》篇一一、引言随着城市化进程的加速，地铁建设已成为城市基础设施的重要组成部分。
在地铁建设中，深基坑工程是关键环节之一，其稳定性和安全性直接关系到整个地铁项目的成败。
而地下水渗流和土体变形是深基坑工程中两个重要的研究领域。
流固耦合效应在地下水渗流和土体变形中起着至关重要的作用。
因此，本文将基于流固耦合理论，对地铁深基坑地下水渗流影响及变形控制技术进行研究。
二、流固耦合理论基础流固耦合是指流体与固体相互影响、相互渗透、相互作用的物理现象。
在地铁深基坑工程中，地下水渗流与土体变形之间的流固耦合效应表现为：土体变形会影响地下水的渗流路径和速度，而地下水的渗流又会对土体的应力状态和变形产生影响。
因此，研究流固耦合理论对于理解地铁深基坑工程的稳定性和安全性具有重要意义。
三、地铁深基坑地下水渗流影响研究地铁深基坑工程中，地下水渗流对基坑的稳定性和安全性具有重要影响。
一方面，地下水的渗流会导致土体有效应力降低，从而影响土体的抗剪强度和稳定性；另一方面，地下水的渗流还会引起基坑内外的水头差，导致基坑内外土体的变形和破坏。
因此，研究地铁深基坑地下水渗流的影响机制和规律，对于保障基坑的稳定性和安全性具有重要意义。
四、基于流固耦合的变形控制技术研究针对地铁深基坑工程中的变形问题，本文提出基于流固耦合的变形控制技术。
该技术主要包括以下几个方面：1. 合理设计支护结构：根据基坑的实际情况和周围环境条件，合理设计支护结构，以减小土体的变形和破坏。
2. 地下水位控制：通过合理的降水或回灌措施，控制地下水位，减小水头差，从而减小土体的变形和破坏。
3. 监测与反馈：通过实时监测基坑的变形和渗流情况，及时反馈给控制系统，以便采取相应的措施进行控制。
4. 数值模拟分析：利用数值模拟软件，对基坑的流固耦合效应进行模拟分析，预测土体的变形和破坏情况，为制定合理的控制措施提供依据。
五、实例分析以某地铁深基坑工程为例，采用基于流固耦合的变形控制技术进行实践应用。
既有铁路隧道渗漏水分析及整治技术·
运营管理既有铁路隧道渗漏水分析及整治技术张文达1，雷林2，周鹏鹏2，李德武3，穆腾虎3（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；2.中国铁路兰州局集团有限公司工务部，甘肃兰州730000；3.兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070）摘要：多数山区铁路隧道存在渗漏水病害，不同程度地影响列车运行。
尤其冬季，渗漏水常演变为衬砌挂冰、道床冻结等次生灾害，危及行车安全，影响隧道设备设施健康服役。
通过分析既有铁路隧道渗漏水的发生部位、表现形式、病害类别，从设计、施工和养护维修等层面探究其成因，提出新的渗漏水整治措施，对延长既有线铁路隧道使用寿命、保障行车安全具有借鉴意义。
关键词：既有线铁路；山区铁路；隧道；渗漏水；病害类型；整治措施中图分类号：U270文献标识码：A文章编号：1001-683X（2022）05-0125-05 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2022.01.07.0050引言我国铁路隧道数量日益增多，截至2021年3月，全路运营铁路隧道约15554座，长度约18771.8km，其中高速铁路隧道4728座，长度约8185.9km。
受设计、施工、养护维修等多方面影响，隧道衬砌渗漏水病害较为突出［1］。
徐卓宁、杨文宣［2-3］通过隧道渗漏水病害调查研究，提出了“堵、排、截、引”相结合的综合整治措施；杨承洞［4］研发了一种新型水泥基灌浆材料TGRM，并应用于隧道渗漏水整治；叶飞等［5］针对隧道渗漏水问题，提出集中泄水泄压的整治思路；王星华［6］采用新型黏土浆液工程整治方案治理隧道渗漏水；杨甲奇［7］针对某深埋隧道岩体裂隙发育问题，通过流固耦合渗流场分析，为深埋隧道漏水病害注浆堵水设计提供参考；万利、丁锐［8-9］针对隧道衬砌渗漏水常发生于施工缝、变形缝、伸缩缝等状况，提出一套施工缝渗漏水整治方案。
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（N2021G002）；中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划项目（2019YJ055）第一作者：张文达（1986—），男，助理研究员，硕士。
隧道仰拱方案
隧道仰拱方案1. 引言隧道是在山区和城市地下交通建设中常见的工程形式之一。
隧道仰拱是隧道结构的关键部分，它承担了隧道自身的荷载和地上道路、建筑物的荷载，并对地下水位起到一定的约束作用。
本文将介绍隧道仰拱的设计方案以及相关要点。
2. 隧道仰拱的功能隧道仰拱作为隧道结构的重要组成部分，主要具有以下功能：•承担荷载：隧道仰拱需要能够承担隧道自身的重量以及地上道路、建筑物等的荷载。
•具备一定的抗震性和抗变形能力：隧道仰拱需要能够在地震等外力作用下保持稳定，并能够对地质变形做出一定的适应。
•防水和排水功能：隧道仰拱需要有效地防止地下水渗入隧道内部，并通过排水系统将积水及时排出。
•提供通风和照明：隧道仰拱需要预留适当的空间以供通风和照明设备的设置，以确保隧道内部的空气流通和照明明亮。
3. 隧道仰拱的设计要点在设计隧道仰拱时，需要考虑以下要点：3.1 地质条件地质条件是隧道仰拱设计的关键因素之一。
包括地层的性质、稳定性和变形特点等。
根据不同的地质条件，确定隧道仰拱的几何形状和材料选用。
3.2 荷载分析荷载分析是隧道仰拱设计的基础，需要考虑到隧道自身的重量以及地上道路、建筑物等的荷载。
通过合理的荷载计算和分析，确定隧道仰拱的尺寸和强度。
3.3 结构形式隧道仰拱的结构形式主要有洞内拱、洞外拱和全拱等。
根据地质条件、设计要求以及施工技术等因素，选择合适的结构形式。
3.4 材料选择隧道仰拱的材料选择需要考虑强度、耐久性、抗震性以及施工可行性等因素。
常用的材料包括钢筋混凝土、预应力混凝土、钢结构等。
3.5 施工工艺隧道仰拱的施工工艺需要考虑到施工的连续性、安全性和经济性。
包括开挖、支护、仰拱施工等过程。
合理选择施工工艺，确保施工顺利进行。
4. 隧道仰拱方案的评估与优化在确定隧道仰拱的设计方案后，需要进行评估和优化。
主要从结构安全性、经济性、施工可行性等方面进行评估，并根据评估结果对方案进行优化。
5. 隧道仰拱的实例应用本节将介绍两个实例应用来说明隧道仰拱的设计和优化过程。
船舶结构碰撞试验及简化数值计算方法
船舶结构碰撞试验及简化数值计算方法卢安格;王子棠;孔祥韶;李樱;陈三桂;吴卫国【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2024(19)2【摘要】[目的]采用流固耦合计算方法虽能较好地模拟船舶碰撞过程,但计算时间较长,为此,提出一种简化的数值计算方法。
[方法]以某船的局部舱段为对象,开展多工况水上碰撞试验。
采用力传感器和基于高速摄影技术非接触测量的方法获得到碰撞力及碰撞船的运动时程数据,通过对碰撞接触力和加速度响应等数据进行分析,并针对试验过程开展任意拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合数值计算分析,提出将碰撞过程中水域对撞击船的影响简化为等效质量,将对被撞船的影响简化为等效阻力,以面力的形式作用于被撞船非撞击侧用以阻碍被撞船运动的简化方法,然后基于此简化方法开展不涉及水域与结构耦合过程的数值计算。
[结果]结果显示,采用简化计算方法得到的各工况的碰撞力峰值与试验值间的误差均在5%以内,且该方法所需要的计算时长远小于ALE流固耦合算法。
[结论]所提简化数值计算方法可为实现船舶结构碰撞响应的高效计算提供一定的参考。
【总页数】12页(P128-139)【作者】卢安格;王子棠;孔祥韶;李樱;陈三桂;吴卫国【作者单位】武汉理工大学船海与能源动力工程学院;中国舰船研究设计中心;武汉理工大学绿色智能江海直达船舶与邮轮游艇研究中心【正文语种】中文【中图分类】U661.43【相关文献】1.基于简化解析法的船舶加筋板结构碰撞分析2.基于简化方法的船舶舷侧结构碰撞分析3.软土地基中插入式大直径薄壁圆筒结构的一种简化数值计算方法4.单桩基础海上风力机防护装置的船舶碰撞试验与数值对比分析5.应用精细积分的船舶碰撞载荷数值计算方法因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展
流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展夏开文;王峥;吴帮标;徐颖;岳腾泷【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2024(49)1【摘要】深部岩石处于高地应力、高渗透压和强动态扰动的复杂地质环境之中,3者作用下岩石体更加容易发生损伤破裂,诱发突涌水、渗漏、井喷等工程地质灾害,因而探究流固耦合作用下岩石的动态力学响应是开展岩石工程建设的前提之一。
近年来,国内外众多学者在考虑水和不同应力状态下的岩石动态力学实验研究方面取得了显著的成果。
为给工程建设提供更加全面的指导并为后续研究奠定基础,从实验装置、测试结果以及围压与水的作用机理层面,对上述工作进行了回顾与总结。
首先介绍了分离式霍普金森压杆测试装置的基本原理,以及用于模拟深部岩石赋存环境所进行的装置改进,包括围压分离式霍普金森压杆实验系统和孔压(渗透压)耦合的分离式霍普金森压杆实验系统,简要分析了各类装置在研究流固耦合作用下岩石动力学问题时的优势和不足。
其次,总结了考虑不同应力状态(单向加载、三向围压加载)的流固耦合作用下岩石的动态力学响应特性。
详细介绍了固定预设孔压、渗透压耦合作用下深部岩石的动态力学响应及其随孔隙水压、渗透压变化的规律。
随后,概述了围压对岩石动力学性质的影响机理,分析了不同围压条件下的影响规律;总结了水对岩石动态力学性质的强化、弱化微观机制和定量表达。
最后,对流固耦合作用下深部岩石的动态力学响应进行了概括总结,并对未来实验研究工作和深部赋存条件下岩石动态力学的研究方向进行了展望。
【总页数】25页(P454-478)【作者】夏开文;王峥;吴帮标;徐颖;岳腾泷【作者单位】天津大学水利工程智能建设与运维全国重点实验室;中国地质大学(北京)地质安全研究院【正文语种】中文【中图分类】TD311;TE371【相关文献】1.降雨入渗时沥青路面流固耦合作用的力学响应2.地震作用下大型储罐流固耦合动力学响应模拟3.流固耦合作用下斜流泵转子动力学特性研究4.流固耦合作用下深部煤层气井群开采数值模拟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
隧道仰拱及二衬开裂的原因分析与处治措施
隧道仰拱及二衬开裂的原因分析与处治措施发表时间：2020-12-11T05:51:57.480Z 来源：《中国科技人才》2020年第23期作者：高小波[导读] 本文针对隧道仰拱及二衬开裂的原因分析与处治措施，结合工程实例，先分析了隧道仰拱和二衬开裂的形式、原因、处治措施等，接着分析裂缝持续发展的原因和相应的治理措施。
贵州江习古高速公路开发有限公司贵州遵义 563000摘要：本文针对隧道仰拱及二衬开裂的原因分析与处治措施，结合工程实例，先分析了隧道仰拱和二衬开裂的形式、原因、处治措施等，接着分析裂缝持续发展的原因和相应的治理措施。
分析结果表明，引发隧道开裂的原因有很多，任何一个环节控制不当，都会影响总体施工质量，需要结合裂缝形成的原因，选择与之相适的处治措施，才能更好的控制裂缝，提升隧道施工质量。
关键词：隧道工程；仰拱；二衬；裂缝引言裂缝是隧道仰拱及二衬施工中比较常见的病害，一旦出现裂缝，不但会大幅度的降低二衬混凝土的抗渗能力，影响使用效果和功能，而且也会引钢筋锈蚀，加速混凝土碳化，降低材料的耐久性，影响隧道工程的使用寿命和使用性能。
因此，在具体施工中，必须结合隧道工程的特性和地质环境条件，严把质量关，按照相关规定和规范进行施工，从而更好的控制裂缝，保证隧道工程总体施工质量和使用的安全性。
基于此，开展隧道仰拱及二衬开裂的原因分析与处治措施的分析研究就显得尤为必要。
1、工程概述贵州坪隧道左洞、右洞分别长2525米和2540米，是江习古高速公路最长的一条隧道，为全线控制性工程的节点。
贵州坪隧道出口前期地质情况差，沉降现象严重。
施工难度，在施工中仰拱和二衬极易发生裂缝，为更好的控制裂缝，全体参建人员克服重重困难，科学调度协同，抢赶工期，保证水泥供应的时效性，为贵州坪隧道最终顺利贯通打下了坚实的基础。
2、隧道仰拱及二衬开裂的原因分析与处治措施2.1K89+766~K89+730段开裂开裂现象：在2017年3月施工检查过程中，发生本工程出口段右洞出现了二衬施工缝拉开、仰拱开裂、电缆槽开裂等现象，其中在K89+766和K89+754处两道二衬施工缝拉开问题最为明显，开裂宽度在20~30mm之间，仰拱上发现了贯穿性断裂，新施工的电缆槽开裂宽度在10~20mm之间。
隧道工程施工仰拱施工
观察仰拱表面是否平整、有无裂缝、蜂窝、麻面 等缺陷，检测其尺寸偏差是否符合规范要求。
无损检测
采用超声波、雷达等无损检测技术对仰拱混凝土 内部质量进行检测，判断其是否存在内部缺陷。
破坏性检测
在必要情况下，可进行取芯、压力试验等破坏性 检测，以验证仰拱混凝土的强度和耐久性。
常见问题及解决方案
表面裂缝
按照设计要求加工和安装钢筋，确保钢筋 的间距、保护层厚度等满足规范要求。
根据设计尺寸和形状加工模板，并准确安 装到位，保证模板的牢固性和稳定性。
混凝土浇筑
混凝土养护
采用合适的混凝土配合比，按照施工规范 进行混凝土的搅拌、运输和浇筑，确保混 凝土密实、无蜂窝麻面等缺陷。
在混凝土浇筑完成后，要及时进行养护， 保持适宜的湿度和温度条件，促进混凝土 强度的增长和防止开裂。
加强对施工现场的监管力度，确保各项安全措施 得到有效执行，及时发现和纠正不安全行为。
环境保护要求及实施策略
减少施工噪音
采取低噪音施工设备和方法，合理安 排施工时间，减少施工噪音对周围环 境的影响。
控制粉尘污染
采取洒水、覆盖等措施控制施工现场 的粉尘污染，减少对空气质量的影响 。
保护水资源
加强对施工废水的处理，确保废水达 标排放，避免对周围水环境造成污染 。
06
案例分析：成功实施仰拱 施工项目分享
项目背景介绍
工程概况
该项目为一条长2.5公里的隧道工程，地质条件复杂，施工难 度大。
仰拱施工重要性
仰拱是隧道结构的重要组成部分，承受着上部结构的荷载并 传递至地基，其施工质量直接关系到隧道的整体稳定性和安 全性。
成功经验总结
精细化施工设计
在项目初期，进行了详细的施工 设计，充分考虑了地质条件、荷 载要求等因素，制定了科学合理 的施工方案。
流固耦合时变动力学
流固耦合时变动力学
流固耦合时变动力学是结合了流体力学和固体力学的一种研究方法。
在流体对固体的作用下，会产生相应的力和压力，而固体又会对流体的流动产生影响。
这种相互作用的过程是动态的，需要通过时变动力学来研究。
时变动力学是一种研究物体在时间上的变化和运动规律的学科。
它包括对物体位移、速度、加速度等运动状态的研究。
在流固耦合中，物体的运动状态会受到环境和流体的作用而不断变化，因此时变动力学的研究方法得到了广泛的应用。
流固耦合时变动力学的研究范畴非常广泛，包括水力学、气动力学、振动分析和结构优化等。
其中，水动力学是最为重要的一部分，涉及到海洋工程、船舶建造、海底管道维修等领域。
在水动力学研究中，流固耦合时变动力学的应用非常广泛。
例如，在船舶建造中，运用时变动力学研究船体的运动规律，可以做到提高船体的航行稳定性，减少燃料消耗，使航行更加安全。
在海底管道维修中，运用时变动力学研究海水对管道的冲击力，可以帮助修建者找到合适的修复方法，降低维修成本。
在流固耦合时变动力学的研究过程中，需要使用计算机数值模拟等方法进行数值计算和实验验证。
这些方法可
以通过建立数学和力学模型，对流体与固体的相互作用进行描述和分析。
通过数值模拟的方法，可以在不同的参数和环境下进行仿真，提高实验效率和准确性。
总之，流固耦合时变动力学作为一个交叉学科的研究领域，已经成为了工程学的重要分支。
通过对流体和固体相互作用的研究，可以帮助我们更好地了解世界的运动规律，解决物理问题，推动科学技术的发展。
隧道工程中的流固耦合问题研究
隧道工程中的流固耦合问题研究一、引言地下隧道建设是人类工程史上的伟大壮举，既改善了城市交通环境，又方便了人们的出行。
然而，隧道围岩的流固耦合问题一直是影响隧道施工和使用的关键因素。
本文将探讨隧道工程中的流固耦合问题，并提出相应的解决方法。
二、隧道工程中的流固耦合问题隧道建设中的流固耦合问题指隧道中负责流动的液体与固体隧道围岩之间相互作用的问题。
1. 套筒压力在隧道施工的过程中，为加固隧道围岩结构，常常会使用套筒增加隧道的支撑能力。
但是，在套筒与岩体之间的空间中，常常会产生水压。
当水压达到一定程度时，套筒就会发生变形，使得隧道支撑能力下降。
2. 稳定性问题在一些地形较为崎岖的地区，隧道的稳定性会受到地形的影响。
在这种情况下，隧道施工过程中，液体的流动会对隧道的安全性产生影响，隧道围岩的稳定性也会受到相应的影响。
3. 水压问题在某些条件下，隧道中液体的流动会导致水压的问题。
水压会导致隧道中的固体结构发生移位，对隧道的结构稳定性产生影响。
三、解决方法隧道工程中的流固耦合问题在一定程度上会影响隧道建设的进度和质量。
下面列举一些解决方法：1. 施工中的控制在隧道施工的过程中，水压的控制是保证隧道施工进度和质量的关键因素之一。
当施工人员发现水压过高时，应及时采取措施以控制水压。
2. 模拟实验通过对隧道施工中不同情况下流体在固体结构中的流动状况进行模拟实验，可以找到更加准确的解决方法。
模拟实验过程中，可以对不同变量进行控制，从而找到最合适的施工方法。
3. 选择合适的隧道设计方案在进行隧道设计时，考虑流固耦合问题对隧道施工和使用的影响，选择合适的隧道设计方案。
通过优化隧道设计方案，可以减轻隧道中的水压问题，提高隧道结构稳定性。
四、相关技术和设备在解决隧道建设中的流固耦合问题过程中，相关技术和设备的运用是不可或缺的。
下面介绍一些主要的技术和设备：1. 隧道测量技术隧道测量技术是对隧道施工过程中液体和固体结构的流动状况进行监测和记录的技术。
海底隧道施工过程中初期支护受力特征试验研究
横向 ｍ Ｄ Ｅ ｌ纵向 ｍ Ｄ Ｅ １ｍ Ｈ Ｐ ｌ １ Ｈ Ｐ １ ｍ
透水管， ｏ 设一道； 每１ ｍ 透水管， ｏｇ 外裹４０／ ｍ
， 二一——————— 无纺布
图 １ 厦 门海 底 隧 道 全 封 闭 段 结 构 防 排 水 方 案
Ｆｉ ． Ｗ ａ ｅｐ ｏ ｆａ ｄ ｄ ａｎ ｇ ｃ ｅ ｆｔ ｅ ｂｏ ｋ ｇ１ ｔｒ ｒ ｏ ｎ ｒ ｉ ａ ｅｓ ｈ ｍｅｏ ｈ ｌｃ ｏ ｔｚ ｎ ａ ｎ ｓ ｂ ｅ ｕ ｎ ｌ ｕ ｏ ｅ ｉ Ｘｉｍｅ ｕ ｓ ａ ｔ ｎ ｅ ｎ
表 １ 围 岩 相 似 材 料 物 理 力 学 指 标 的土 工试 验值
第 １期
李
健等： 海底 隧道施 工过程中初期支护受力特征试验研究
进 行研 究 ． 型试 验 研究 方 法 一 直 以来 都 是 作 为 隧 模 道 工程 研究 的一 种 重 要 手 段 ， 别 是 在 一 些 地 质 复 特
杂、 工程 艰难 和 意 义 重 大 的隧 道 施 工 过 程 中 已成 功 的为工 程 设 计 和施 工 方 案 的选 择 提供 了依 据 ［７． ６］ －
规律 ， 构受 力变 化 特征 ， 结 变水 头过 程 中水压 和应 力
ｒ１ 一２ 一２Ｉ ０ ≠ ０
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Байду номын сангаас
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１ 试 验 方 案
１ １ 工 程背 景 ．
厦 门翔 安 海 底 隧 道 Ｆ ４全 强 风 化 囊 ， 段 围 岩 该
Ｔａ ． Ｇｅ ｔ ｃ ｎ ｃ ｌｔｓ ｕ ｎ ｉｙ ｏ ｕ ｒ ｕ ｄｎ ｏ ｋ ｓ ｌ ｔｒ ｌ ｈ ｓ ｓｍｅ ｈ ｎｃ ｌｉｄ ｘ ｂ１ ｏ ｅ ｈ ｉ ｅ ｔ ａ ｔ ｆｓ ｒ ｏ ｎ ｉ ｇ ｒ ｃ ｉ ａ ｍａ ｅ ｉ ｙ ｉ ｃ ａ ｉａ ｎ ｅ ａ ｑ ｔ ｍｉ ｒ ａｐ ｃ
多工况下某隧道支护受力性能
第３２卷第１期摘要：文章对多种工况下的水压力分布进行了研究，并且为以后结构受力设计和施工提供参考。
关键词：多工况；水压力；结构设计；施工中图分类号：U455.7文献标识码：A文章编号：1006-8937（2013）01-0019-02Structural mechanism analysis of a tunnel under differing conditionsＰＥＮＧＳｉ－ｔｉａｎ（Ｔｈｅ２５ｔｈＢｕｒｅａｕｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ，Ｌｉｕｚｈｏｕ，Ｇｕａｎｇｘｉ５４５０００，Ｃｈｉｎａ）Abstract:Ｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒ＇ｓａｉｍｉｓｔｏｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｕｓｅｆｕｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Keywords ：ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；ｗａｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ多工况下某隧道支护受力性能分析彭思甜（中铁二十五局，广西柳州545000）收稿日期：2012-11-10作者简介：彭思甜（1967—），男，湖南双峰人，硕士研究生，高级工程师，主要从事铁路施工管理工作。
企业技术开发TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISE第３２卷第１期Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１２０１３年１月Ｊａｎ．２０１３图2单独应力场下衬砌受力图1工程概况某隧道穿越地层围岩级别划分为Ⅳ～Ⅴ级，围岩由薄层状页岩、中～厚层状白云岩及断层破碎带内构造角砾岩等组成。
隧道进口浅埋段围岩为：页岩强风化，节理裂隙密集，岩体破碎，松散～碎裂结构，层间结合差。
隧道深埋段围岩为：白云岩中风化，节理裂隙发育，岩体破碎，块状结构，节理裂隙面结合一般。
隧道仰拱底部局部脱空、不密实处理技术研究
Equipment technology 装备技术143隧道仰拱底部局部脱空、不密实处理技术研究刘 杰（山东省路桥集团有限公司， 山东 济南 250021）中图分类号：K928 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2019）06-0143-01摘要：仰拱是隧道结构的重要组成部分，是隧道结构的基础，与二次衬砌共同构成隧道整体，增加结构稳定性。
在隧道使用过程中，仰拱容易受到地下水侵蚀的影响而产生破坏，引起隧道内路面不均匀沉降甚至裂分，即加大了日常维护保养难度，也对行车安全造成一定的安全隐患。
为排除隧道仰拱底部局部脱空、不密实等问题，本文在阅读大量文献的基础上，对问题产生的原因进行了剖析，研究了仰拱底部局部脱空、不密实问题处理技术。
关键词：隧道；仰拱；脱空；不密实1 原因分析1.1仰拱底部虚渣处理不彻底隧底开挖后，未对虚渣进行有效清理，在进行初喷作业时，因虚渣间存在间隙，使得初喷层与基岩面之间局部存在不密实。
1.2仰拱底部存在局部渗水隧底开挖后，未对隧底积水和淤泥进行有效清理，初喷层凝固后，初喷层与基岩间淤泥在局部渗水作用下，形成仰拱底部局部脱空。
2 总体处理方案（1）检查结果显示存在脱空和不密实的地段，采用无损检测方式进一步确定仰拱底部脱空详细位置；（2）在确定的区域范围内，采用YT28凿岩钻机垂直仰拱填充面钻设注浆孔，结合无损检测结果和钻孔施工经验合理选取钻孔深度；（3）埋设注浆管，注浆。
3 施工方案3.1钻孔设计参数（1）钻孔布置：间距1.2×1.2m，呈梅花形布置，实际钻孔位置需结合无损检测结果具体确定；图1 注浆孔布置示意图（2）钻孔深度：钻孔深度0.62m~1.28m，现场需根据无损检测结果和施工经验合理选取钻孔深度。
3.2注浆参数（1）注浆料：注浆采用M20微膨胀砂浆材料； （2）注浆压力：0.5~0.8MPa。
（3）注浆范围：参考值4.14×2.4㎡，实际注浆范围需结合无损探测结果确定。
水下结构的流固耦合力学分析与设计
水下结构的流固耦合力学分析与设计水下结构的流固耦合力学分析与设计水下结构是指在水下环境中运行或工作的各种建筑物、设施和装置。
由于水的密度和黏性，水下结构所受到的流体力学影响比陆上结构要复杂得多。
因此，对于水下结构的力学分析和设计需要考虑流固耦合效应。
流固耦合是指流体力学和固体力学之间的相互作用。
在水下结构中，流体力学作用包括水流、波浪、涡流等，而固体力学作用则包括结构的应力、变形、振动等。
这些作用相互影响，导致了水下结构的复杂响应。
在水下结构的设计中，流固耦合分析可以帮助工程师更好地理解结构的受力情况，预测结构的响应和性能，并优化结构的设计。
流固耦合分析通常包括以下几个方面：1. 流体力学分析流体力学分析是指对水下结构周围流体的运动进行建模和计算。
这可以通过数值模拟方法来实现，如有限元法、边界元法、有限体积法等。
流体力学分析可以确定结构所受到的水动力载荷，如水流压力、涡流压力、波浪荷载等。
2. 固体力学分析固体力学分析是指对水下结构的应力、变形和振动进行建模和计算。
这可以通过有限元法等方法来实现。
固体力学分析可以确定结构的应力状态、变形情况和振动特性。
3. 流固耦合分析流固耦合分析是指将流体力学分析和固体力学分析进行耦合，考虑两者之间的相互作用。
这可以通过数值模拟方法来实现，如CFD-Structure耦合方法等。
流固耦合分析可以确定结构的响应和性能，如位移、应变、振动幅值等。
4. 结构优化设计通过流固耦合分析，可以对水下结构进行优化设计。
优化设计包括减小结构的水动力载荷、提高结构的刚度和强度、减小结构的振动等。
优化设计可以提高水下结构的性能和可靠性。
总之，流固耦合分析是水下结构设计中必不可少的一部分。
通过流固耦合分析，可以更好地理解水下结构的受力情况，预测其响应和性能，并优化设计以提高其可靠性和安全性。
流固耦合力学概述_邢景棠
第27卷 第1期力 学 进 展Vol .27 No .11997年2月25日ADVANCES IN M ECHAN ICS Feb.25, 1997流固耦合力学概述**本研究得到航空科学基金的资助.本文1995年在中国力学学会流固耦合力学专业委员会首届学术年会上宣读.邢景棠 周 盛 崔尔杰北京航空航天大学,北京100083 北京空气动力研究所,北京100074提要 本文简要介绍了流固耦合力学及其特点、研究分支、一些进展及进一步发展的趋势.关键词 流固耦合;气动弹性;水动弹性;非线性动力学;计算力学1 定义和特点流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉而生成的一门力学分支.顾名思义,它是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者交互作用的一门科学.流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用(fluid-solidinteractio n):变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动,而变形或运动又反过来影响流场,从而改变流体载荷的分布和大小.正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流固耦合现象.流固耦合问题可由其耦合方程来定义[1].这组方程的定义域同时有流体域与固体域,而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象的变量,一般而言,具有以下两点特征:a )流体域或固体域均不可能单独地求解;b)无法显式地消去描述流体运动的独立变量或描述固体运动的独立变量.从总体上来看,流固耦合问题按其耦合机理可分为两大类.第一大类问题的特征是两相域部分或全部重叠在一起,难以明显地分开,使描述物理现象的方程,特别是本构方程需要针对具体的物理现象来建立,其耦合效应通过描述问题的微分方程而体现.图1给出的渗流问题是这类问题的典型例子,描述其现象的微分方程如下[2]:L T R +b -Q u b =0土壤骨架R =D Lu -mp 本构关系ýT (k ýp )-n K fp a -m T L u a =0渗流流体・19・其中,ý表示梯度算子,u 表示土壤骨架的位移矢量,p 为渗流压力,R 是应力张量(用矢量式),L 是相应于应变的微分算子,D 是弹性矩阵,b 是体力矢量,k 是渗透率,K f 是流体的体积模量,n 是空隙率,m =[1,1,1,0,0,0]T.这里,由于耦合效应,固体的本构关系中出现了压力项.图1 土壤渗流相互作用第二大类问题的特征是耦合作用仅仅发生在两相交界面上,在方程上耦合是由两相耦合面的平衡及协调关系引入的.本文中,我们主要讨论这一类问题.对于第二大类问题,Zienkiew icz与其合作者Bettess 在文[3]中按两相间相对运动的大小及相互作用性质将其分为三小类.图2中示出了这三种问题.图2 三类流固耦合问题:a)流固之间有大相对运动的问题;b)有限流体运动的短期问题;c)有限流体位移的长期问题.图3 机翼颤振的方框图问题a )是流体与固体结构之间有大的相对运动的问题.其典型例子是机翼颤振或悬桥振荡中发生的气固相互作用,这被人们习惯称其为气动弹性力学问题.在这类问题中的基本物理关系和物理过程可用易于理解的所谓方块图加以描述,这种方法由著名力・20・学家冯元桢(Y. C.Fung)教授[4-5]引用到气动弹性力学中来,特别是对于气动弹性稳定问题中的反馈过程,用这种方法说明是很有启发性的.图3示出了机翼颤振的这一方框图.图中三个方框表示了机翼(结构)在这类问题中执行的三种不同功能:首先它产生空气动力,其次是产生惯性力,再就是它产生弹性变形.机翼按空气动力学规律产生升力A ,而机翼振动时则引起惯性力I .这两种力A +I 使弹性机翼产生变形H ,从而又产生新的作用力A 和I ,这样,以反馈过程的形式构成一条闭合回路,如果出现变形的振幅随时间不断增大的现象,则称为颤振.图4 流固耦合问题中各种力之间的相互关系图问题b )是具有流体有限位移的短期问题.这类问题由引起位形变化的流体中的爆炸或冲击引起.其特点是:人们极其关心的相互作用是在瞬间完成的,总位移是有限的,但流体的压缩性是十分重要的.问题c )是具有流体有限位移的长期问题,如近海结构对波或地震的响应、噪声振动的响应、充液容器的液固耦合振动、船水响应等都是这类问题的典型例子.对这类问题,人们主要关心的是耦合系统对外加动力载荷的动态响应.图4中示出了流固耦合中各种力之间的相互影响关系.其中,两个虚线描绘的大圆周分别划出了流体与固体.在这两个圆周相切的地方,用一个小圆表示了两相耦合界面.通过耦合界面,流体动力影响固体运动,而固体的运动又影响流场.在耦合界面上,流体动力及固体的运动事先都不知道,只有在系统地求解了整个耦合系统后,才可给出它们的解答,这正是相互作用的特征所在.若没有这一特征,其问题将失去耦合作用的性质.例如,若给定流固交界面上的流体动力或交界面上固体结构的运动规律,耦合机理将会消失,原来的耦合系统将被解耦而成为单一固体在给定表面力下的动力问题及单一流体在给定边界条件下的流体力学边值或初边值问题.・21・在最一般情况下,流体与固体通过两相交界面的相互作用同时受流体及固体各自的弹性力和惯性力影响,这就是两个大圆周中间方框中表示的一般流固耦合问题.随着研究问题的目的不同,可将着眼点放在流场或固体结构上进行研究.流体力学工作者多着眼于流场,而固体力学工作者则注重结构.在工程实际问题中,可针对不同性质的问题,作相应的简化,从而便有简化后的耦合问题.例如,研究水同结构相互作用的非短期问题时,水的可压性可以不计,这就构成不可压流体同固体的耦合问题.类似地,若忽略结构的弹性变形,就有刚体同流体的相互作用问题.在航空中,独成一个学科的刚体飞机飞行力学问题就是重要的例子.也可以在某些问题中忽略流体或固体的惯性效应,从而有忽略流体惯性的耦合问题及忽略固体惯性的耦合问题.在空气弹性力学中的静力发散,舵面效率等问题即是重要的忽略结构惯性的流固耦合问题.至于忽略流体惯性时的耦合问题,其本质就是将流体(通常为气体)视为一弹簧,如空气弹簧,这在工程中也常常见到.所有这些简化后的耦合问题,包括非耦合性质的可压流体动力学及变形固体动力学问题,在图4中用虚线圆周上的方框表示出来.于是,每种流固耦合问题可以按该问题中诸力所处的相互关系而进行直观的区分.2 发展简史流固耦合问题由于其交叉性质,从学科上涉及流体力学、固体力学、动力学、计算力学等学科的知识;从技术上与不同工程领域,如土木、航空航天、船舶、动力、海洋、石化、机械、核动力、地震地质、生物工程等均有关系.其研究问题甚广,难以确定合适的研究分类,而且随着科学技术的发展,其分类也在不停的变化,这里以美国机械工程师学会(ASM E)出版的权威力学文摘刊物《应用力学评论》(AM R)为例说明如下.从1970年到1980年,AM R的分类目录中没有流固耦合这一词条,其有关文摘条目出现于气动弹性(aeroelasticity)、颤振(flutter)等子目中.从1981年到1983年,AM R的分类中出现了流体结构相互作用(fluid-structureinteractions)的目录,但并未在此目录下列出详细子目录.从全年统计来看,这三年期间出现于流体结构相互作用条目下的文摘条数依次为49,73和50条.从1984年起,AM R的分类目录中列出了固流相互作用(so lid fluid interactions)的目录,并在此目录下列出了细目.下面给出的细目,取自《应用力学评论》1990年第12期[6]: 166 SOLID FLUID INTERACTIONSA General theo ryB Nonlinear theo ryC External flowD Internal flow(Inc.Sloshing)E Vibr ation o f structures in fluidsF Inter actio ns o f wav es w ith flex ible structur esG Multicom po nent flo wH Flex ible tanks and co ntainers・・22I Pipes w ith flow ing fluidsJ T urbo machine blades ex citationK Ocean structuresL Contro l sur face flutter of w ing s and tailsM Panel flutterN Pr opeller and rotor flutterO Whole body vibration modesP Flutter control and suppressionQ Static aeroelasticity(diverg ence)R Buffeting,gusts,turbulence effectsS Aeroelastic effects o n flig ht loads and stabilityT Aero thermo elasticityY Computational techniquesZ Ex perimental techniques图5中给出了81—94年间每年收录于AM R中有关固流相互作用文摘条数的统计曲线.在此线上,84年有一大的跳跃上升,84年后仍一直呈平均上升趋势.图5 美国AS M E力学刊物AM R中有关固流相互作用文摘条数的统计曲线上述AM R分类中有关流固耦合的子目分法仅供读者参考.这种分类有时并不能明显地反映出学科特点,使读者一目了然的找出所关心的文献.例如工程中极其重要的流激振动及其控制等在AM R中多列入E类中.生物力学中血流同血管,组织液同细胞组织等耦合问题多列入D类中.飞行器等在水中坠落涉及的耦合问题放在D类中,有时也列入其它类.此外,在近代科学技术的发展中,许多涉及物相变化、化学变化的两相耦合问题[124],例如,宇宙飞行器在星际航行中接近周围有大气的星球时,其环境发生剧烈变化,强光、强热的影响、粒子侵蚀、表面烧蚀、催化等物理化学作用使结构的气动外形变化,出现更为复杂的气固耦合问题;高温、高热下液态金属的固化过程中,或高速冲击、穿甲过程中同一物质液态、固态・23・同时共存,且区域不停变化,其整个过程的研究遇到的液固耦合问题等;以及有关流固耦合振动的利用问题,如旋转叶片的气弹自适应弯矩、气弹变形制动等并没有明显地列入类中.所有这些问题请从事流固耦合问题研究的同行在利用这一检索工具时注意,同时也不要使自己的研究受这一分类方法的束缚.在《应用力学评论》的分类子目中,有三分之一多的子目与气动弹性问题有关,这说明了气动弹性研究的重要性.历史上,人们对流固耦合现象的早期认识正源于飞机工程中的气动弹性问题.据专著[4,5]记载,Wrig ht兄弟和其它航空先驱者都曾遇到过气动弹性问题,但他们主要由直观上来解决问题,并未对真实的物理关系有所认识.1903年Lang ley的单翼机首次有动力的飞行试验时因机翼断裂而坠入Potomac河中.10年后,Brew er[7]的研究指出这一事故是一典型的气动弹性静扭转发散问题.第一次世界大战初期,Handley Page轰炸机的尾翼颤振坠毁导致了Lanchester[8]以及Bair stow与Fage[9]进行了第一批有目的的气动弹性颤振研究.T heodorsen[10]系统地建立了非定常气动力理论,为气动弹性不稳定及颤振机理的研究奠定了基础.直到1939年二战前夕,由于飞机工业的迅猛发展,大量出现的飞机气动弹性问题的需要,有一大批科学家和工程师投入这一问题的研究.从而,气动弹性力学开始发展成为一门独立的力学分支,并出现了一些在历史上有重要影响的专著及综述,如[11, 12—16].其中有重要贡献的科学家如T heordosen[10],Garrick[17],Bispling ho ff[12,13,16],Y.C. Fung[4]以及将随机概念引入气动弹性的Liepm an[18],Y.K.Lin[19],Davenport[20,21]等.在Bis-plinghoff的综述文章[16]中对有关开创性的工作作了仔细的评述.国内航空工业总公司著名飞机气动弹性力学专家冯仲越(已故)和一直从事飞机气动弹性力学研究的管德院士就是在我国较早致力于这一研究并为航空工业作出贡献的代表.在气动弹性的研究史上,发生过另一件划时代的事件,使气动弹性问题的重要性首次明显地表现于航空技术外的领域内.这就是1940年T aco ma悬桥在相当低的18米/秒风速下振动激励而倒塌[13].此后桥梁颤振问题得到了建筑工程师的高度重视.有关风对建筑结构影响的早期历史文献见[22,23].在土木工程中,一般认为Westerg aard是研究坝水耦合的创始人[25].他在1933年发表了他的著名论文[24],给出了刚性重力坝在水平地震载荷下的动水压力分布,其解至今仍为许多国家的坝工抗震设计规范所沿用.然而,由于Wester gaard解中,假定了刚性坝并给出了地面运动的规律,因而其解本质上并未计及两相的耦合作用,只是求解了一个给定边界条件的流体动力问题.至于对这类问题,考虑耦合作用的研究可见美加利福尼亚大学Chopra的论文[26].与坝水耦合问题类似的一类液固耦合问题是水中柱体的耦联振动问题.对这类问题,国内以著名力学家郑哲敏院士为代表的许多专家作了不少的研究,如[27—29].流体引起管道振动的研究源于横垮阿拉伯输油管道振动分析的需要[30].Feodo s'ev[31], Housner[32]及Nior dso n[33]是早期研究简支直输液管道稳定性的学者.应用不同的方法,他们得到了相同的基本运动方程并得出有关稳定性的相同结论.至于悬臂输流直管的开创性研究,可见Benjamin[34-35]及Gr eg ory和Paidoussis的论文[36-37].又有记载,早在1939年Bourrier es[38]就对悬臂输流管作了最早的著名研究,但由于计算工具的落后,他未能确定出不稳定的临界条件.有关流体引起管道振动的早期专著及综述文章可见[39—40],其中给出了各类问题的・・24详细历史评述.Blevins的著名专著[42]已译成汉语,对国内的研究有重要的影响.船水耦合动力学的早期研究,考虑船是一刚性浮体,探讨其由于船的刚体运动引起的扰动.Haskind[45-46]对这类问题作了深入理解的分析.他应用Green定理构造了由于船的存在及运动引起的速度位,并推导了点源Green函数的形式.沿着Haskind的开创性工作,人们开始致力于通过速度位表示的线性边界值问题的构造和求解,考虑船舶的存在及运动对流场的影响,进行船舶刚性摇荡运动与水相互作用的研究.在May s[47]的博士论文及New man[48]的影响甚大的综述文章中对有关历史作了详细叙述,并建立了船舶水动力学这类问题的统一理论.至于考虑船体弹性变形的水动弹性理论的创始性工作应归功于Bishop和他的学生Price,他们在其专著[49]中对其研究及理论作了详述.这一专著的出版对船水动力学的研究有深远的影响,已被译成俄文.储液容器的振荡问题的开创性研究归功于许多俄罗斯的专家.在M oiseev的两篇著名综述报告[50—51]中,详述了有关基本理论及文献.由于当时计算工具的落后,Mo iseev的研究主要局限于刚性不动容器或作简单运动刚体(如单摆)中液体的振荡,方程的导出应用了动力学的变分原理,求解采用了一些近似方法,如Ritz法.对于弹性结构与液体的耦合振荡,他指出这是一相当复杂的问题,仅仅讨论了梁中有液体腔的扭转及弯曲振荡问题.沉浸于液体中的结构对爆炸波的瞬态响应短期流固耦合问题似乎最早为T aylor于1941年所研究,他在文[52]中讨论了水中无穷大平板对一维爆炸波的响应问题.T aylor所讨论的问题虽然简单,但他的开创性研究给出了一个重要的一般性研究方法,这就是将总噪声速度位分解为入射、反射和幅射速度位.另一种极为重要的短期问题是变形固体的着水撞击问题.这一问题早期研究的开创性工作归功于von Karman,他于1929年提出了入水理论,在两相耦合面上引入基于试验结果的附加水质量,分析研究了水机降落过程中的冲击现象[53].1932年Wagner[54]对von Karman的方法作了修正,引入水波影响因子,使结果更符合实际.vo n Kar-man和Wagner的方法虽没有对流场进行仔细分析,但基于实验的假设使问题简单明了,在一定程度上也能解释撞水现象的机理,因而这一方法仍为工程设计的初期用于估算撞水力.至于对这类问题的全场分析,则是有限元、边界元方法充分发展后的成果.3 现状与展望如果将与飞机颤振密切相关的气动弹性研究作为流固耦合的第一次高潮的话,则与风激振动及化工容器密切相关的研究可作为流固耦合研究的第二次高潮.这次高潮起始于1964年美国Alaska地震及1965年英国Ferry bridge八座冷却塔中的三座在不太高的风速下被摧毁.英国Ferrybridg e的事故使1940年Tacoma事件兴起的风工程研究更为活跃,因此,许多文献上把气弹的非航空应用作为发展的一个重大里程.Alaska地震引起许多石化容器在地震载荷下惨遭破坏,使国民经济受到极大损失.由于化工工业在现代工业中的地位,促使一部分科技工作者对化工容器在地震载荷下的破坏进行分析,以便避免其发生.研究发现,这些化工容器破坏多数是由动力屈曲引起,而引起这种屈曲的翻转力矩是由地震时容器内部流体的晃・・25动产生的.这便引起了力学工作者对流固耦合问题的注意.1967年,美国ASM E应用力学部发起召开了第一次流固耦合研讨会[55].会议论文被分为空中爆炸及响应,噪声相互作用问题,气动弹性与水弹性四组共11篇汇入文集.由于当时计算技术及工具还不发达,其论文研究集中于分析和试验技术.10年后,1977年ASM E应用力学部又召开了第二次有关流固耦合问题的研讨会[56].这次会议文集共9篇论文,全部讨论有关流固耦合问题的计算方法.论文涉及的内流问题有充液结构内的爆炸分析、管道中的水锤效应、充液容器的晃动及毛细流中血细胞的变形;而外流问题有沉浸结构的瞬态运动、流固相互冲击、板的颤振及流体引起的振动.文集编辑者在前言中明确指出:流固耦合问题的处理常常遇到在其它应用力学领域很少碰到的困难,如描述流体运动的欧氏系与描述固体运动的拉氏系之间的同时应用问题;无穷域的外流问题需要采用非寻常的技术以提高计算效率等.文献[57—79]列出了ASM E应用力学部从81年到92年冬季年会上有关流固耦合的会议文集.文献[80—97]列出了ASM E压力容器及管道夏季会议上有关流固耦合方面的文集,其中从1987年起出现了由流固耦合专业分会与地震工程分会联合召开的有关晃动、振动及各种流固耦合系统的地震响应等问题的会议文集,如[83,85,89,90,93,95]等.文献[98—104]列出一些涉及流固耦合的其它会议文集,如第11、12届全美应用力学大会文集[99,100],在英国、加拿大召开的会议文集[102—104].这些重要的系列性会议基本上反映了流固耦合研究的进展情况.以美国ASM E1992年冬季会议文集为例说明如下.文集[72]中多数文章研究圆柱由于热交换引起支持附件松动的非线性流固耦合系统.编者认为,问题的难点及不清楚之处仍处于1988年的水平,直到流动同圆柱相互作用的细节过程彻底弄清之前,这一问题将仍是一个有趣的研究课题.文集[73]虽仅列出14篇文章,但来自美、英、俄、日、加拿大和澳大利亚六国,从理论及实验两方面探讨声音与结构的相互作用.文集[74]中的文章多数涉及两相流动.文集[75]讨论涡流与结构的相互作用,涉及混沌等问题.文集[76]中出现了动力系统问题的研究者同工程工作者相结合的研究趋势,指出了动力系统的研究方法对流激振动的研究将提供一有力工具,更好地洞察问题的本质.文集[77]多数文章讨论管道在热交换下的声音共振问题,指出了预测其发生的方法等.文集[78]的多数文章涉及能源动力工业,指出流体引起振动常出现在不受设计规范约束的非主要部件上,往往被人们疏忽,但一旦这些部件失效,同样引起整个电厂停机.文集[79]涉及非圆截面流动、导线运动、振动悬挂等土木、机械工程中的问题,反映了现代物理、分析、数值计算等学科方法在处理这类问题上的成果.再如美国ASME压力容器及管道年会文集[84]列出20篇文章,来自4个国家,是首次有中国学者出席的会议;文集[89]中给出了自1964年美Alaska地震后25年来液箱晃动问题研究的进展.文献[105—112,131,134,197,204]列出了一些有代表性的综述报告.在这些综述文章中都给出了足够的参考文献,是希望从事有关研究的研究生必读的重要材料.文献[113—122]给出了一些有名的专著,书中给出了有关问题仔细的理论及应用描述.国内78年以来有关流固耦合问题研究的会议文章主要集中在不同学科召开的系列会议上.以第1次会议召开的时间先后为序,第1个系列会议是气动弹性力学方面的会议,首届会议78年于南宁召开,此后航空系统的7210气弹专业会议共召开8次[123].第2个是“全国振动理・・26论及应用学术会议”,这一会议最早由中国力学学会、中国航空学会、中国宇航学会、中国机械工程学会四大学会主办,中国振动工程学会成立后发展为五大学会主办,会议从80年以来共召开5次[126].与这个系列会议密切相关的国内召开的国际会议已有3次[127-129].在这些会议中有关流固耦合方面的文章大多数是国内振动界固体力学、结构工程工作者完成的,基本上代表了国内固体、结构力学界在这一领域的研究情况.第3个国内系列会议是“流体弹性力学学术讨论会”.会议由中国力学学会、中国航空学会、中国水利学会、中国空气动力研究会主办.从85年以来共召开了4届会议[130].这一会议是国内唯一的专门讨论流体弹性的学术会议,但会议论文多数由流体力学工作者提供,代表了国内流体力学界在流固耦合领域研究的情况.第4个系列会议由土木工程学会、水利学会、航空学会、岩石力学与工程学会、振动工程学会联合发起,1993年6月在洛阳召开了第1次结构与介质相互作用学术会议,共有论文150多篇,分为ABCDE5类.其中D类为固体结构与流体介质相互作用,共列入论文23篇[132].国内首次气弹、水弹国际会议在1993年10月于北京召开,会议代表来自11个国家或地区,文集[131]中列出了7个特邀报告,共约70篇学术论文,讨论了问题的进展及理论应用成果.此外,在我国召开的水工结构的国际地震与水坝会议(1987)、国际高坝水力学会议(1988)、第7届APD-IAHR 会议(1990)上大量的报道了我国在该领域有关水-结构耦合的研究成果,其详细评述可见[134].在海洋工程结构的水弹性、建筑物和工业结构的风效应及流固耦合的基础理论研究方面,国内许多单位也进行了大量的工作[136-138].作为国家自然科学基金重大项目的课题总结文集[135]详细地报道了国内在海洋工程领域所取得的重要成果.在航空院校应用多年的气弹教材[195]等为航空工业培养了大量的气弹人才.叶轮机械气动弹性问题是流固耦合问题的一个重要分支.1976年在巴黎由IUT AM召开了名为叶轮机气动弹性力学的国际学术会议,此后便形成了以这一名称召开的系列国际会议. 1994年在日本福冈召开了第7届会议,第8届会议将于1997年在瑞典斯德哥尔摩召开.1984年我国代表被选入该系列会议的科学委员会,并于1989年在北京航空航天大学召开了第5届叶轮机械气动弹性力学与非定常流动国际学术会议[133].有关文献[140—142]等反映了国内在这方面的部分研究工作,文[196]指出:“我国学者在该领域颇有建树,特别是初步解决了失速颤振这一国际性难题,受到国际学术界重视.”1994年中国力学学会批准,成立了流固耦合力学专业分会,将国内流体、固体两方面从事这一研究的同志从组织上联系起来,这对学科的发展将起到极为重要的推动作用.概括有关流固耦合问题的文献,可以发现其进展有以下主要特点.1)线化理论日趋完善、程序化,业已提供工程应用. 由于流固耦合系统的复杂性,其求解主要立足于数值分析.起初人们自然想到的是用位移法结构分析的通用程序来求解耦合问题[143],不同的是只要将流体视为剪切刚度为零的固体即可.但实际计算发现,剪切刚度为零,计算中出现零能模式,方法无法推广应用.至于流体中采用压力、固体中采用位移的混合模式没有零能模态的困难,但其有限元方程中的系数矩阵是非对称的.早期,Iro ns[144]提出了一对称化方法,要求描述流体惯性的矩阵可逆.然而,当考虑自由面线性波时,通常这一矩阵是奇异的,因而一些有名的通用程序中不得不忽略自由面波,这就限制了方法的应用.文・・27。
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第33卷第1期铁 道 学 报V o l.33 No.1 2011年1月JO U RN A L O F T HE CH IN A R AIL W AY SOCIET Y Januar y2011文章编号:1001 8360(2011)01 0108 06基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析与优化张志强, 师晓权, 何 川(西南交通大学土木工程学院,四川成都 610031)摘 要:目前,国内外学者对用于铁路和公路交通的山岭隧道断面形式做了不少研究,并得出一些有价值的结论。
但是,研究结论应用于水底隧道是否同样能满足衬砌结构受力合理的要求,是值得研究的问题。
矿山法修建大断面铁路和公路水底隧道,其断面形式主要采用马蹄形断面,并设置仰拱来控制围岩位移及改善衬砌结构受力。
本文以厦门东通道海底隧道为工程背景,采用三维有限差分软件F L AC3D进行流固耦合分析,研究仰拱曲率半径及仰拱部位的防排水措施对围岩位移及衬砌结构受力的影响,优化水底隧道断面形式,以指导大型跨江海的水底隧道的设计和施工。
关键词:水底隧道;断面优化;仰拱曲率;流固耦合中图分类号:U459.5 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1001 8360.2011.01.018Analysis of Optimizing Cross section Shape of Subsea TunnelZH ANG Zhi qiang, SH I Xiao quan, H E Chuan(Sch ool of Civil Engin eering,Southw es t Jiaoton g U nivers ity,Chengdu610031,Ch ina)Abstract:U ntil now,do mestic and fo reig n scholars have done quiet a lo t o f studies on cross section forms of railw ays and hig hw ay tunnels and have draw n some valuable conclusions.But w hether the conclusio ns are rea sonable w hen they are applied in subsea tunnels,it remains a problem to study.Subsea tunnels w ith lar ge cro ss sections ar e o ften designed in the horse hoof shaped cro ss sectio n and w ith an inverted arch to control ad jo ining r ock displacement and im pro ve mechanical characteristics of the lining structure.In the paper,taking the Xiam en east passageway,the Xiang'a n Subsea T unnel under construction,as an example,ado pting the flu id m echanical interactio n metho d by use of the three dimensional finite differential softw ar e,the influence of the cur vature r adius of the inver ted arch and the inv erted arch w aterproo f and drainag e m easures o n adjoining rock displacement and im pro vem ent in m echanical characteristics of the lining structure is studied to o ptimize the cross section fo rm of the subsea tunnel,and give reference to design subsea tunnels and co nstructio n of large scale acr oss the w ater.Key words:subsea tunnel;cross section optimizing;curvature radius o f invert;fluid mechanical interaction合理设计隧道断面形式有利于洞室开挖安全、围岩稳定、支护结构受力合理、减小开挖面积、降低造价、隧道美观、提高行车舒适度等。
目前,山岭隧道断面形式已趋于标准化,而水底隧道的修建在我国隧道建设中属于新兴领域,目前在国内采用矿山法修建的水底隧道主要有厦门东通道隧道、武广铁路客运专线浏阳河隧道等。
关于水底隧道断面形式的研究文献鲜见于收稿日期:2008 11 22;修回日期:2009 12 09基金项目:国家自然科学基金资助项目(51078318);国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB732105);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCE T 10 06667)作者简介:张志强(1968 ),男,四川荣县人,教授,博士。
E mail:clarkchang68@ 学术期刊,其设计方法多参照山岭隧道的设计方法。
考虑水底隧道的特殊性,基于流固耦合研究水底隧道断面形式优化具有重要意义。
本文以厦门东通道地质勘测资料以及建筑限界[1 2]为背景,研究仰拱曲率半径及仰拱排水措施对围岩位移及衬砌结构受力的影响,以优化断面形式,指导水底隧道的设计。
1 工程概况厦门东通道是我国第一座大断面海底隧道,跨海总长约4200m,设双向六车道,采用钻爆暗挖法修建。
海域段存在几条构造破碎带处全~强风化带异常深厚,而形成风化深槽,此类全~强风化岩体强度低、自稳能力差,在极端地质条件下,存在发生渗透破坏的可能。
选取左线里程K8+900处的工程地质及水文地质条件为研究的基础,该区段为海域段F4断层破碎带,围岩级别为 级,主要为全风化带(高程-20.000~-33.840m)和强风化带(高程-33.840 m以下),地面高程-20.000m,隧道设计高程-66.161m。
海域范围内地层中的地下水,据其赋存形式分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水及基岩裂隙水3种,其中松散岩类孔隙水赋存于第四系全新统海积层中;风化基岩孔隙裂隙水赋存于基岩全~强风化层中;基岩裂隙水赋存于弱微风化基岩的风化裂隙及构造裂隙中。
海域地层中除海积的砂层(主要赋积在K10+900以东西滨滩涂地段)及可能存在的富水性好的基岩破碎带外,总体上富水性弱,渗透性较差,为弱或微含水层;海域地下水主要受海水的垂直入渗补给。
左线里程K8+900处地下水以岩石裂隙水赋存为主,高潮累积频率10%的高水位为3.16m。
行车隧道建筑限界净宽为13.50m,内侧设检修道,行车隧道建筑限界净高为5.0m。
针对本隧道为三车道大断面的特点,隧道内轮廓采用多心圆,隧道断面采用R 740cm和R 570cm的三心圆形式。
内侧检修道下设置55cm 80cm管沟和外侧余宽下设置30 cm 40cm管沟,路缘带两侧分别设置 25cm预制边水沟排路面水,并在路面下设置 50cm侧排水沟排衬砌水。
2 水底隧道断面形状优化2.1 基本情况与一般山岭隧道不同,穿越江河的水底隧道衬砌结构不可避免的要承受地下水压力作用,海水越深衬砌背后的水压力越大。
T B10003-2005 铁路隧道设计规范 规定[3]:通过松散堆积层或含水不良地层时,衬砌应采用曲墙有仰拱结构,并沿隧道周边向围岩注浆等措施。
虽然地层成拱作用可以降低支护结构上的围岩压力,但静水压力荷载却不受此成拱的影响[4]。
因此,水底隧道断面形状的优化设计,应充分认识到水荷载对衬砌结构特别是仰拱结构安全的重要性,优化设计中也应根据对地下水的不同处理措施进行分别论证。
一般认为,在高水压作用下,圆形断面的受力最合理,接下来依次为蛋壳形、马蹄形[5]。
但是实际工程中应用最多的为马蹄形断面形式,例如,已建成的厦门 翔安海底隧道采用三心圆坦拱马蹄形断面。
马蹄形断面,由于其拱部半径及侧墙大半径圆弧主要根据建筑限界而定,因此,其优化主导思想为:满足建筑限界及其他功能要求,以及便于施工放线。
仰拱部位是马蹄形断面优化的重点。
主要原因为:首先,仰拱曲率半径的大小影响围岩压力作用下仰拱的受力、洞室的位移及塑性区的发展[6]。
其次,目前水底隧道采取的排水措施,在仰拱部位没有设置排水盲管,也就是说仰拱部位与拱部、侧墙等部位相比是不透水的,这样仰拱就要承受很高静水压力的作用,仰拱曲率半径决定仰拱承受静水压力的能力。
2.2 马蹄形断面几何参数以厦门-翔安海底隧道的工程地质、水文地质及建筑限界为研究基础,通过断面形状变化,研究单心拱与三心拱马蹄形断面受力差别,同时研究三心拱马蹄形断面形式下仰拱曲率半径对隧道结构影响,进而优化断面形式,给出水底隧道中仰拱的主要受力特征。
马蹄形断面设计参数,见图1。
2.3 流固耦合数值模拟FLAC3D模拟岩体流固耦合机理时,视岩体为多孔连续介质,流体在孔隙介质中的流动遵循Darcy定律,同时满足Biot方程。
其优点有:可以方便设置流体边界条件;可以考虑渗流场的历史变化过程。
其控制微分方程[7]如下:2.3.1 流动方程液体的流动规律通过Darcy定律来描述。
对于均匀、各向同性固体和恒定密度的流体,其定律为q i=-k ij^k(s)p- f x j g j l(1)式中,q i是渗流矢量,m/s;p是孔隙压力;k是孔隙介质的绝对迁移系数张量,m2/(Pa s);^k(s)是相对迁移系数,^k(s)=s2(3-2s),s为饱和度; f是流体密度,m/s2;g i,i=1,2,3是重力矢量的3个分量。
2.3.2 平衡方程109第1期基于流固耦合的水底隧道仰拱受力分析与优化对于小变形而言,流体平衡为-q i,i +q v =t(2)式中,q v 是体积流源强度,1/s ; 是孔隙介质单位体积的流体体积变化。
动量平衡方程为ij ,j + g i =d id t(3)式中, =(1-n) s +ns w 为容积密度,n 为孔隙率; s 和 w 分别为固相和液相的密度。
(1-n) s 与固体干密度 d 相同。