摘要
随着我国交通基础设施的快速发展与建设标准的不断提高，在公路、铁路中，隧道所占线路比例越来越大，隧道对衬砌结构形式有了新的要求，随着施工技术的提高与设计方法的改进，产生了一种新型衬砌结构形式——单层衬砌。单层衬砌与围岩之间表现出了更好的密贴性，具有施工工序简单、施工效率高、耗材量小、经济效益好等优点。近年来，随着钢纤维在隧道及地下工程领域的应用，钢纤维混凝土单层衬砌支护结构形式在隧道工程中开始出现，该衬砌结构的应用研究也越来越受到人们的重视。目前对单层衬砌的研究主要集中在结构形式、作用机理、平整度及设计方法等方面，对单层衬砌的承载特性、裂损规律等研究还相对较少。鉴于此，开展钢纤维混凝土单层衬砌结构裂损规律、承载特性和安全性等相关研究，对钢纤维在单层衬砌中的应用推广具有重要意义。 本文基于CF35强度的钢纤维混凝土，采用理论分析、室内试验与数值模拟相结合的方法，对钢纤维混凝土单层衬砌的裂损规律及安全性进行研究，得到以下主要几点结论： （1）揭示了不同钢纤维掺量及长径比对钢纤维混凝土力学性能的影响规律，探明了不同钢纤维掺量及长径比对混凝土抗弯韧性的影响效果，提出了CF35强度混凝土的钢纤维最优掺量为45kg/m3、最优长径比为70。 （2）提出了基于Ⅳ级围岩相似材料的组合类型及配合比例为：重晶石粉∶河砂∶粗石英砂∶细石英砂∶机油∶粉煤灰=1∶0.56∶0.39∶0.72∶0.33∶1.33；提出了CF35强度的钢纤维混凝土单层衬砌模型相似材料组成成分与配合比例为：石膏∶水∶重晶石粉∶河砂∶胶=1∶1.7∶1.5∶1∶0.01，得出试验用特细钢纤维掺量为45kg/m3。 （3）探明了钢纤维混凝土单层衬砌的承载能力、位移变化趋势、衬砌与围岩接触压力随荷载的变化情况；得到衬砌在围岩压力作用下的裂损规律为：初始裂缝出现在拱顶内侧，随即在衬砌底板内侧、两墙脚外侧出现新生裂缝；评价了钢纤维混凝土单层衬砌的安全性能，衬砌各部位均满足安全性的规定，在衬砌底板、左右墙脚安全系数偏小，试验值分别为：4.71、3.8与2.7。 （4）对比了抗弯韧性试验值与模拟值的差异性，试验值与模拟值的荷载-挠度曲线吻合度较好；得出了钢纤维混凝土单层衬砌数值模拟的随机裂纹分布规律、承载能力及安全性，与模型试验结果吻合度较高，验证了数值模拟的合理性。
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