钢纤维混凝土的韧性特征在隧道支护结构设计中的应用

【摘要】： 钢纤维混凝土是一种新型的复合材料，因为其延性大、抗冲击性能强的特点而被广泛地应用于土木工程结构物中。不同于普通混凝土，钢纤维混凝土在破坏时由于钢纤维的拔出作用可以消耗大量的能量，细致地研究钢纤维混凝土的这一本质特征对钢纤维混凝土结构的设计有着重大的指导意义。 以喷射混凝土作为隧道初期支护是隧道工程实践中一项较成熟的技术，在围岩条件较好的一些工程中，喷射混凝土衬砌甚至可以单独作为永久的衬砌使用。而在这种单层衬砌施工中用钢纤维混凝土取代普通混凝土有一定的实际意义。本文主要针对钢纤维喷射混凝土在单层隧道衬砌中的应用进行了研究，内容包括以下几个方面： 1)进行了大量的钢纤维混凝土标准试件试验，试验的成果和数据为研究钢纤维混凝土的能量特征提供了事实依据和参考； 2)运用概率统计方法对钢纤维混凝土的指标进行了可靠性分析，得出了实际可以接受的保证率下的钢纤维混凝土能量指标； 3)通过合理的假设和简化，研究了钢纤维混凝土构件在破坏过程中的能量耗散机理。并进一步推导了不同形式的构件间的能量耗散关系，为将标准试验的能量统计结果运用于实际结构中打下了基础； 4)利用有限元软件对隧道开挖过程进行了三维模拟，得到了隧道围岩在开挖掘进过程中的能量转化趋势和规律，得到了钢纤维喷射混凝土衬砌在支护过程中的能量变化； 5)利用能量守恒原理和已经推导出的构件能量耗散关系，建立了钢纤维喷射混凝土衬砌厚度与围岩开挖能量变化间的关系，并运用此方法对Ⅲ级围岩条件中的铁路单线隧道的钢纤维喷射混凝土衬砌进行了设计计算；