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原文传递高温高湿气候下隧道洞口段围岩（衬砌）热湿应力分析

论文题名：	高温高湿气候下隧道洞口段围岩（衬砌）热湿应力分析
关键词：	隧道洞口段围岩;高温高湿环境;岩石裂隙;强度因子;应力分析
摘要：	我国地域辽阔，气象与气候的南北差异性大，出现了典型的高寒干旱、高温高湿气象与气候区域，如广东、湖南、广西、福建等地，全年积温较高，湿度较大，这些地区拥有全国近50％的铁路、公路隧道，隧道洞口段长期处于这种高温高湿的环境下，围岩和衬砌加速劣化，容易形成慢性病害。针对问题，本文开展了岩石热湿力学理论探索，进行热、湿单因素和共同作用的岩石热湿应力求解及公式推导，并开展了高温-高湿引起裂隙扩展分析，并结合广深港高铁隧道为例进行现场数值分析，主要工作和成果如下: 　　1.根据气候的温度场和湿度场及岩石热传导方程，计算了气候温度影响下围岩内三维温度场的分布情况;研究了围岩内温度随着气候温度的变化规律，并研究了温度作用下，湿度的扩散规律，随着温度和湿度的增加，扩散范围增大。　　2.由弹性力学推导分析了考虑温度效应的围岩体的热弹性本构方程，采用热应力强度因子，计算了裂隙尖端的应力场和位移场;考虑到岩体内裂隙的的随机分布，通过坐标系变换技术计算了任意方向裂隙尖端的应力和位移。针对隧道洞口及环境气候条件，基于热源等效半径概念，有效的分析了气候温度对围岩内增温区的影响，发现热应力作用时岩石裂隙的分布方向对其尖端应力场的影响较大，当裂隙延展方向与隧道纵向夹角在45°内时，尖端应力最大，此时裂纹有沿着尖端应变能最小的方向扩展的趋势，且裂纹尖端塑性区随着温度的增加而扩大。　　3.结合温度场和湿度场的相互作用，分析了岩体内考虑温度影响的湿度扩散规律，在岩石的弹塑性本构理论基础上，分别推导了气候温度-湿度作用下各因素引起岩体的应变，由增量理论推到了温度-湿度-应力相耦合的增量型单一裂隙岩石热-湿应力本构方程。根据某工地的实测参数，计算了不同方向裂隙的热湿应力，对比理论计算结果和实测数据，总结温度、湿度场作用下不同方向裂隙尖端的应力场变化规律。　　4.基于气候高温、高湿场下单裂隙的热湿应力分析，分析计算了气候温度-湿度场下双裂隙之间相互影响的应力场。结合算例发现了双裂隙在温度、湿度下的相互影响下的应力变化规律。　　5.隧道洞口段受环境高温-高湿影响最为显著，建立了隧道洞口段软弱围岩的热湿应力分析模型，对该模型在不同情况下进行数值计算，计算了温度场或温度-湿度场作用下，模型当中无裂隙、单一裂隙、两条平行裂隙（近距离和远距离）、两条交叉裂隙（近距离和远距离）的应力场和位移场;以裂纹尖端弹塑性边界线可以确定双条平行裂纹的应力影响范围;并计算分析了单一裂隙在温度场或温度-湿度场作用下35年的应力状态及变形。　　6.针对高温、高湿环境下隧道衬砌的开裂现象，进行了初步现场治理试验。在施工现场按照3种不同的配比（钢纤维∶玻璃纤维分别为1∶5、5∶1、3∶3）拌制混凝土，并分为施工现场喷射和试验试块两种情况进行试验;以气候变化规律为基础，对纤维混凝土和素混凝土进行非正常条件养护（高温、高湿），测量施工现场和试块试验的数据，监测发现混合纤维对控制高温-高湿引起的混凝土劣化有一定的效果。
作者：	李萌
专业：	地下工程
导师：	陈文化
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文