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原文传递运营隧道二次衬砌裂缝演化规律研究

论文题名：	运营隧道二次衬砌裂缝演化规律研究
关键词：	扩展有限元;裂缝;围岩松弛荷载;列车荷载;气动效应
摘要：	隧道二次衬砌在运营过程中会受外载作用，从而产生多种病害，如混凝土脱块、开裂等，其中裂缝是衬砌最为普遍的病害，严重时会危及隧道的安全运行。所以，对不同裂损程度的衬砌进行多种形式的外载作用，研究外载下衬砌的应力、变形以及初始裂缝的扩展过程，对隧道安全性判断至关重要。　　本文首先采用ABAQUS中扩展有限元方法对衬砌裂损试验进行模拟，将裂缝扩展过程、衬砌形变趋势与试验结果进行对比，验证用扩展有限元来模拟衬砌裂损的可靠性；进一步研究不同裂损状态的二次衬砌在受到拱顶围岩松弛荷载时的应力分布、变形情况与裂缝萌生扩展过程，得到该荷载下马蹄形衬砌拱顶内侧、拱腰外侧受拉，拱顶外侧与拱腰内侧受压，且完整衬砌会萌生多条裂缝，与已有研究中完整扁圆形衬砌仅生成单条裂缝形成对比。当围岩松弛荷载范围从20°扩大至60°时，衬砌结构的临界开裂荷载折减约75%，极限承载力下降约78%；在相同围岩松弛荷载范围下，衬砌初始裂缝深度越深，衬砌相应的临界开裂荷载与极限承载力越小。当初始裂缝深度为0.5倍衬砌截面厚度时，开裂衬砌临界开裂荷载、极限承载力较完整衬砌分别折减约80%与78%。　　其次，分析列车静动荷载对衬砌影响。所施加荷载主要改变衬砌墙脚与仰拱部位的变形以及应力分布，且动载对衬砌的影响更大。改变列车轴重、行驶车速，发现当车速在100km/h及以下、轴重达25t时，衬砌仰拱结构处的竖向加速度比规范给定的加速度限值要小，当轴重提升至30t与35t时，仰拱竖向加速度超规范限值约为16%与35%；当行驶车速为120km/h时，三个轴重下仰拱结构的竖向加速度均比规范限值大。所以，在实际工程中需合理设置列车轴重与车速，保证结构使用安全。对于开裂衬砌，其截面安全系数随裂缝深度增大而变小，当初始裂缝深度为0.5倍截面厚度时，该截面安全系数较完整衬砌折减约57.6%。　　最后模拟了衬砌受到列车驶入隧道引发的气动效应、以及气压与列车动载共同作用的影响。在衬砌拱顶、边墙及墙脚上选取三个监测点，当气动效应表现为压力时，三个监测点处压应力值增大；当气动效应表现为拉力时，三监测点处压应力值减小。列车行驶速度越快，气动效应的气压变化越明显，这将会导致衬砌结构加速度变大。在气动效应与列车动载同时作用下，拱顶、边墙处的应力变化与仅受气动效应下的应力变化趋势相近，然而墙脚处应力变化明显，是仅受气动效应下应力的20倍以上，表明列车振动作用对衬砌应力影响更显著。在两种循环外载下，初始裂缝深度越深，其发生进一步扩展所需的荷载次数越小；相同裂缝深度下，存在列车动载作用时，衬砌发生开裂所需荷载次数约为仅受气动效应时的25%，说明列车动载对衬砌的不利影响比气动效应更大。
作者：	陈健
专业：	土木工程
导师：	李锦辉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020