高水压山岭隧道衬砌损伤机理与模型研究

发布时间：2019-10-09 02:56

【摘要】：深埋山岭隧道在穿越富水区时，隧道衬砌都不可避免的承受高水压的作用，尤其是堵水型排水方式。在高水压作用下，混凝土衬砌损伤劣化机理较之其他载荷作用下有诸多的不同。承高水压山岭隧道混凝土衬砌渗流、应力和损伤之间存在显著的耦合作用，水压渗透作用对混凝衬砌的损伤产生不可忽略的影响。本文的研究工作主要如下： ①依据构成一个科学合理的损伤理论的四个组成部分，对混凝土结构损伤机理进行分析阐述；从宏细观对混凝土结构损伤机理进行分析，基于典型的混凝土应力应变曲线对混凝土结构的损伤演化发展阶段进行划分，划分为线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段；细观上认为混凝土结构的损伤与其不均匀性和硬化过程中的失水收缩具有强相关性。 ②对于水压渗透作用下，通过对混凝土的渗透性能、水在混凝土裂隙系统中的渗流规律以及水和混凝土之间的相互作用对混凝土的渗流场进行研究，并提出混凝土裂隙系统的初始渗透系数的计算公式。从宏细观上对混凝土的渗透性能进行分析，并依据典型的应力应变曲线对混凝土渗透系数的变化划分四个阶段，分别为弹性压密阶段、压密稳定阶段、塑性突跳阶段和软化平稳阶段；建立渗流-应力耦合模型和渗流-损伤耦合模型对水压渗透作用下混凝土结构的损伤特性。 ③基于对深埋山岭圆形隧道衬砌的平面应变假设，采用了外水压力折减系数计算法计算外水压力，建立了外水压力在混凝土衬砌中的分布计算公式；提出了衬砌内水压力的计算公式。通过双标量表征损伤场变量，建立混凝土结构弹塑性损伤模型，通过对平面极坐标公式建立衬砌渗流-应力-损伤耦合模型，基于前人的研究，修正了三场耦合的控制方程；并通过ABAQUS有限元数值分析软件对模型进行分析和验证，该模型可用于混凝土衬砌的损伤判定，，为隧道衬砌维护提供技术支持。
【图文】：

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是水泥砂浆收缩的不均匀性造成砂浆裂纹。图 2 混凝土循环加载试验应力-应变曲线示意图2.1.2 损伤宏观分析混凝土损伤的宏观发展过程可以结合考虑损伤的混凝土应力应变关系及细观裂纹的发展来分析。不论混凝土受到怎样的载荷（拉、压、剪、扭或它们之间的组合）其典型的混凝土的应力-应变关系曲线都类似如图 3。在加载条件下，混凝土的应力-应变曲线一般都会经历四个阶段[66]：弹性阶段（OA）、非线性强化阶段（AB）、应力跌落阶段（BC）和应变软化阶段（CD）。损伤也随着四个阶段发展演化累积。依据应力-应变曲线的发展相应分为四个阶段[95]：弹性损伤阶段（OA）、损伤演化阶段（AB）、损伤快速累积阶段（BC）和损伤平缓累积阶段（CD）。① 弹性阶段（OA）的损伤应力小于临界应力c 时，混凝土曲线为 OA 段的上升斜直线，应力应变是线性关系，在混凝土加载的起始 O 点，存在初始损伤0D ，在 OA 段混凝土内部的微缺陷有所发展但是限度很小，几乎可以和初始损伤相当。这一阶段混凝土力学性能几乎不改变，微裂纹的变形时可恢复的弹性变形，损伤也是可恢复的弹性损伤。A 点的界定在学术界存在争议，一般认为 A 点在峰值应力f 的 70%左右[95]。② 非线性强化阶段（AB）的损伤该阶段混凝土曲线仍然是处于上升阶段

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图 3 典型混凝土应力-应变关系曲线图3 损伤细观分析混凝土材料的损伤机理与其组成的材料的性质有很大的关系，其损伤机在几何上是通过宏观变形体现出来的。在载荷的作用下，其内部微缺陷发展，当卸除载荷时，材料的变形并不能完全的恢复到原始的状态，形形。所以，考虑损伤的混凝土材料的变形和其他的脆性材料一样具有弹两个部分。混凝土本身内部的微缺陷在外载荷的作用下不断的发展演化力的增加，当达到一定程度时微裂缝扩大、贯通形成宏观开裂。这一过伤部位逐渐丧失承载力的过程。混凝土的损伤过程也是混凝土微裂纹的、扩大甚至贯通形成宏观开裂的过程。混凝土是典型的多相复合脆性人工材料，主要组成成分为水泥砂浆和骨土及其结构的损伤贯穿混凝土浇筑成型到服役运营的整个过程。细观上的损伤破坏主要有两个方面：① 在浇筑成型养护硬化过程中，由于水泥水作用以及骨料的不均匀性等，混凝土内部出现微孔隙、微裂纹等微缺，骨料和水泥砂浆之间的胶结由于泌水失水形成界面裂纹。② 在外界环
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U451.4

【参考文献】