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原文传递滨海地铁隧道开裂衬砌混凝土氯离子传输行为及服役性能研究

论文题名：	滨海地铁隧道开裂衬砌混凝土氯离子传输行为及服役性能研究
关键词：	地铁隧道;衬砌裂缝;混凝土;氯离子传输;服役寿命
摘要：	随着我国城市化进程不断推进，地铁隧道建设方兴未艾，在此背景下地铁隧道运营期安全性及耐久性已成为重点关注问题。衬砌结构在地下复杂的受力状态下会出现不同程度的裂损，其耐久性及力学性能均存在不同程度降低，而腐蚀性环境下衬砌裂缝加剧了离子侵蚀速度，导致衬砌结构使用寿命降低，严重影响其耐久性。本文依托城市地下工程教育部试验室基金：滨海城市地铁隧道衬砌结构劣化机理及控制技术(TUE2017-03)，采用现场检测、数值分析、室内试验等手段，从环境、材料、结构等层面，就裂缝条件下衬砌混凝土氯离子传输行为及服役性能展开研究，研究成果为腐蚀性环境下地铁隧道工程的管养、维护提供建议，论文主要研究成果如下：　　（1）通过现场调研及文献查阅的方法，对滨海地铁服役环境中地下水离子成分取样分析，并对衬砌裂缝、渗漏水分布规律进行了统计分析。研究结果表明：服役环境中含有高浓度氯离子且对衬砌混凝土中钢筋具有腐蚀性，衬砌裂缝、渗漏水现象普遍存在于运营地铁隧道工程中，通过检测得到衬砌裂缝的一般分布规律：环向裂缝＞纵向裂缝＞斜向裂缝；按照位置进行分析：拱腰＞拱顶＞边墙；裂缝长度主要集中在0-10m的范围之内；裂缝宽度主要集中在0-2mm的范围之内。　　（2）基于ABAQUS有限元软件，采用扩展有限元法对衬砌开裂机制进行了研究。分析得到了存在空洞情况下衬砌受力模式及开裂规律：衬砌背后空洞改变了衬砌结构的受力特征，位于空洞区域范围的衬砌结构受力由受压应力影响转变为受拉应力影响区域，衬砌存在着拉-压力组合的受力状态且空洞影响区域范围内衬砌弯矩值较大；衬砌在无空洞情况下不开裂，随着空洞环向范围和空洞偏转角度的增大，衬砌裂缝数量随之增大；在衬砌背后空洞影响下，衬砌混凝土外侧先开裂，因此当衬砌内侧检测出裂缝时，衬砌外侧可能也存在裂缝，而衬砌外侧裂缝在现有检测技术难以被发现。当地下水中含有高浓度氯离子，衬砌外侧存在裂缝时，将大大缩短衬砌使用寿命。　　（3）通过室内加速腐蚀试验，研究了氯离子在衬砌实际受力条件下和带裂缝条件下衬砌混凝土传输行为：衬砌在拉-压组合受力状态下，衬砌混凝土中氯离子浓度随着拉应力（≤30%）的增大而略微增大；氯离子在带裂缝衬砌混凝土中呈现出二维扩散模式，裂缝宽度小于0.05mm时，氯离子浓度增大不明显，裂缝宽度在0.05mm-0.2mm之间，氯离子浓度增大较为显著；裂缝深度对氯离子侵蚀最大深度应较大。从结构耐久性角度来看，裂缝宽度、小于30%拉应力相比于裂缝深度对氯离子侵蚀最大深度影响可以忽略。　　（4）通过COMSOL计算软件对带裂缝衬砌混凝土中氯离子传输行为数值计算，并对衬砌混凝土服役寿命进行了预测。数值模拟结果与试验结果吻合度较高，验证了本方法的可靠性，继而对侵蚀环境作用下地铁隧道衬砌使用寿命进行研究。通过数值计算，更直观地看出氯离子在带裂缝衬砌混凝土中浓度分布情况，裂缝宽度对垂直裂缝方向氯离子浓度影响较为显著，裂缝深度对氯离子侵蚀最大深度影响较大。针对衬砌混凝土表层裂缝，可以通过提高保护层厚度来提升衬砌耐久性。青岛地铁设计保护层厚度为50mm，地铁隧道设计使用寿命100年，衬砌使用寿命满足设计要求。
作者：	隋佳蒿
专业：	建筑与土木工程
导师：	袁长丰;张素磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2021