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原文传递高寒冻融区强风化围岩隧道多场耦合与冻害分析

论文题名：	高寒冻融区强风化围岩隧道多场耦合与冻害分析
关键词：	隧道衬砌;冻融循环;高寒冻融区;多场耦合;衬砌承载性能;衬砌开裂
摘要：	随着我国“一带一路”战略的实施，越来越多山岭隧道将部署并修建于高寒冻融区。因此，深入探究长期冻融循环作用下高寒冻融区隧道破坏模式，确认高寒冻融区隧道易发生冻害的薄弱区域具有重要前瞻性。以服役近百年的兴安岭上行隧道为例，其在运营期间多次出现冻害，导致了严重的人身安全与经济财产损失。纵使连年增大对兴安岭隧道的维修投入，其冻害问题仍处于“久治不愈”的困境，引起了有关部门高度重视。迄今，关于冻融循环作用下高寒冻融区隧道衬砌破坏模式与土体—衬砌体系多物理场耦合分析的研究在国内外均少有展开。为此，深入探究冻融循环作用下高寒冻融区隧道衬砌破坏模式与土体—衬砌体系多场耦合特性具有重要意义。　　鉴于上述，本文采用现场监测、模型试验、机器学习和理论分析相结合的研究手段，从衬砌承载性能与裂隙扩展模式两个角度，对高寒冻融区隧道衬砌的安全稳定性与纵向裂隙扩展模式进行研究。本文主要的研究内容如下：　　（1）以温度场、衬砌土压力及衬砌内力分布规律作为研究指标，开展高寒冻融区隧道土体—结构相互作用模型试验研究，剖析了高寒冻融区隧道洞口段与洞身段土体冻结深度及衬砌承载性能之间的差异。　　（2）聚焦土体水力场—温度场—应力场耦合特性，从分凝冻胀的角度开发土体水力场—温度场—应力场三场耦合模型。随后，针对土体及混凝土两种多孔介质之间冻害机理的差异性，从能量变分原理角度出发引入断裂力学相场法，从而实现多孔介质多场耦合作用与衬砌断裂能量场的集成分析，建立了高寒冻融区隧道土体—衬砌体系水力场—温度场—应力场—断裂能量场耦合模型。　　（3）基于上述高寒冻融区隧道土体—衬砌体系水力场—温度场—应力场—断裂能量场耦合模型，针对高寒冻融区隧道衬砌结构选型问题进行深入研究。结合衬砌内力分布特性，对不同截面形式的高寒冻融区隧道衬砌破坏模式进行判别。　　（4）归纳分析滨州铁路3条运营高寒冻融区隧道的衬砌裂隙分布及工程地质水文地质信息，应用随机森林算法建立高寒冻融区隧道裂隙分布规律预测模型，比较各影响因素之间的重要性程度。　　（5）基于前述高寒冻融区隧道土体—衬砌体系水力场—温度场—应力场—断裂能量场耦合模型对高寒冻融区隧道衬砌开裂模式进行详细剖析，深入研究冻融作用、埋深、防水层失效等因素在单因素和多因素作用下的衬砌裂隙具体扩展模式。　　（6）通过将隧道衬砌视为厚壁壳体，结合冻融圈、未冻结区域三者的位移应力协调条件，构建高寒冻融区隧道土体—结构相互作用简化计算方法，并采用二阶段开挖分析方法对深埋隧道衬砌延迟安装效应加以考虑。最后，采用正交试验方法重点分析各影响因素对高寒冻融区圆形隧道衬砌内力影响的显著程度。
作者：	于源
专业：	岩土工程
导师：	凌贤长
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021