沉管隧道压砂法地基处理机理及设计方法研究

沉管隧道地基处理是沉管隧道施工中最重要的环节之一，砂流法由于其特有的优点，现已成为硬质地基上沉管隧道基础处理的首选。沉管隧道基础处理成功与否，直接关系到沉管隧道的服役与安全，因此对沉管隧道砂流法地基处理机理及设计方法的研究，确保管节与基础密实接触，具有重要的工程意义。本项目自行研制了砂流法施工的砂盘探测器，解决了水下基槽试验环境中的实时探测难题；设计了大型砂流法全尺度试验模型系统，同时实现了不同基槽深度、砂水比、施工边界、模型板粗糙程度以及管节上台等工况下的系列模型试验，得出试验中砂盘发展、水压力变化规律，进而分析得出砂盘成型过程以及试验中参数变化对砂流法施工的影响；依据固—液两相流理论，实现了砂、水两相间的耦合作用，为砂流法理论分析提供基础，数值实现砂流法砂盘成型过程；数值试验实现了不同砂水比、基槽深度、边界条件工况下的砂流法处理过程，完整探讨了各工况下模型试验对砂盘扩展的影响。最后，依据试验与数值分析成果指导砂流法的设计，并对施工进行了相应的优化。 2100433B

随着我国跨海、跨江工程数量的逐渐增加，作为水下隧道修建技术方法之一的沉管隧道将得到大量的应用。沉管隧道建设关键工序之一的管节底部地基处理影响着沉管隧道施工质量及运营期的使用效果。综合现阶段沉管隧道压砂法地基处理机理及设计方法的研究成果，以流体力学两相流数值方法、经验公式及全尺寸模型试验为研究手段，对沉管隧道压砂法地基处理过程中的机理（包括砂盘扩展机理、水流条件及沉管结构边界条件对砂盘扩展的影响）、压砂施工参数、压砂管路布置的设计与优化、压砂顺序、压砂密实度的检测方法及工艺、沉管隧道运营阶段地基沉降量计算与沉降控制等六个方面进行研究。通过对上述研究内容的深入研究，明确沉管隧道压砂过程中砂盘的扩展方式与扩展速度，研究不同水流条件下沉管隧道压砂法地基处理机理，通过机理的研究，得出适合于不同水流条件下压砂法地基处理的设计方法，为今后大型跨海沉管隧道的地基处理提供的技术支持。

锚杆作为锚固工程的核心组成部分，在国家基本建设中发挥着重要作用。针对荷载集中型锚杆岩土体与灌浆体界面的应力集中容易引起界面剪应力软化，导致渐进式破坏，以及荷载分散型锚杆结构复杂和施工繁琐的问题。提出了一种新型拉压复合锚杆，它具有界面剪应力分布均匀，承载力高，造价低，施工便捷等优点。为此，本项目拟通过数值模拟、模型试验、理论研究和工程应用相结合的研究方法，系统地研究拉压复合型锚杆的锚固机理及设计方法。主要研究内容包括不同参数对岩土体与锚固体界面力学性能的影响；建立界面剪应力-应变本构关系模型；基于承压锚固段与受拉锚固段的变形协调，建立拉压承载比的计算方法；研究不同参数对拉压复合锚杆破坏模式的影响，建立不同破坏模式的判别方法；结合对比试验及原位测试研究结果，提出一套完整的拉压复合锚杆设计计算方法。为拉压复合锚杆的推广和应用提供理论依据和技术指导。

针对新型拉压复合型锚杆，假定锚固体与岩土体之间的剪应力呈三角形分布，对其锚固机理进行了研究。推导得出了拉压复合型锚杆的抗拔承载力计算公式，及其与拉力型锚杆抗拔承载力之比N。对承载比N值的曲线分析结果表明：N随锚固段长度的增加而增加，当锚固段长度系数k1 =2.0时，N达到最大值2.0；N整体随承压锚固段长度系数k2呈碟碗形对称分布，且随k2的增加而先增加后减小，并在k2=0.5时最大；当k1≥2.0时，N的最大值不再随锚固段长度增加而继续增加，但是满足N达到最大值的k2取值区间变大。对比拉压复合型锚杆室内试验成果，本文推导的承载比计算值与试验值吻合较好。在相同锚固段长度下，拉压复合型锚杆抗拔承载力可达拉力型锚杆2.0倍，具有良好的工程应用前景。 通过对传统拉力型锚杆及拉压复合型锚杆开展静力加载试验，研究了不同锚杆的极限抗拔承载力及其特性。研究结果表明：拉压复合型锚杆的荷载位移曲线可分为加载上升段，峰后下降段及残余稳定段三个阶段；拉压复合型锚杆的极限抗拔承载力比拉力型锚杆有显著提高，最高达2.61倍，且当拉压长度比为1:2和2:1时，极限抗拔承载力提高十分显著；拉压复合型锚杆的残余抗拔承载力水平较高且稳定性较好。本文研究成果对拉压复合型锚杆的进一步研究及工程应用具有很好的参考价值。

打包带加固具有简单、经济、可靠、能明显提高房屋抗倒塌能力等显著优点，特别适用于我国村镇砌体结构的抗震加固。但目前相关研究仍存在不足(如未考虑砂浆抹面对加固效果的影响),针对打包带加固机理和设计方法方面的研究也很缺乏。.本项目以村镇典型砖砌体为依托，通过理论、试验和数值模拟相结合的方式对打包带加固涉及的关键问题开展研究。主要内容包括:1)基于抗弯试验、拟静力试验、振动台试验及不同尺度的有限元分析，系统研究考虑砂浆抹面和待加固房屋性能等因素影响的打包带加固砌体的抗震性能，揭示打包带加固机理；2）建立加固砌体受力分析模型，提出相应的承载力计算方法；3）提出打包带加固砌体结构抗震性能评估方法，明确抗震性能评估指标；4）解决打包带加固涉及的选材、固定、砂浆抹面合理厚度等关键技术，优化打包带加固方法，制定加固实施方案。本项目成果可为打包带加固方法在我国村镇房屋抗震加固中的推广应用提供理论和技术支撑。