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原文传递海底隧道管片结构止水失效机理与长期服役性能预测

论文题名：	海底隧道管片结构止水失效机理与长期服役性能预测
关键词：	海底隧道;管片结构;失效机理;服役性能;渗漏流量计算
摘要：	随着国家海洋开发战略和交通强国战略的大力实施，未来数年内将有大量的海底隧道投入运营。海洋环境的高浓度离子侵蚀、高水压作用、复杂地质条件对隧道的长期服役性能极为不利。管片接缝是预制拼装式隧道结构的薄弱环节，在张拉、弯扭等复杂海洋荷载环境作用下，易引发隧道结构不均匀沉降和管片接缝张开、错台。同时三元乙丙橡胶弹性密封垫的老化和应力松弛，会导致渗漏水等工程问题，严重影响交通安全。本文针对海底隧道管片结构止水失效机理不清和渗漏水量难以计算的问题，通过理论分析、数值模拟、室内试验、模型试验等方法，研究了剪切错台和侵蚀劣化对管片结构抗弯性能的衰减规律，揭示了弹性密封垫力学性能劣化机理。在此基础上，阐明了管片结构弹性密封垫密封界面渗漏机制，提出了考虑表面形貌特性的密封界面渗漏流量计算方法，揭示了服役期隧道渗漏量非线性快速增长规律，最终建立了考虑剪切错台和侵蚀劣化的服役期隧道渗漏流量计算模型，实现了隧道长期渗漏流量预测。主要研究工作及创新成果如下: 　　(1)管片结构错台张开变形规律。研制了可对管片结构先施加剪力、后施加弯矩的试验系统，实现了管片结构错台张开的全过程模拟。开展了管片结构剪-弯力学性能试验，分析了错台对弯矩作用下管片结构的破坏过程、竖向位移-弯矩关系、张开量-弯矩关系、抗弯刚度和裂缝扩展过程的影响规律。错台管片结构在弯矩作用下呈现三阶段渐进破坏特征，分别是接缝初始张开阶段、管片初始裂纹阶段和极限承载阶段。错台导致管片结构张开量增加，对管片结构极限承载力和抗弯刚度有明显衰减作用。　　(2)管片结构劣化张开变形规律。基于钢筋混凝土侵蚀理论，确定了可描述混凝土保护层开裂前后的钢筋锈蚀模型，提出了考虑服役时间的钢筋混凝土弹性模量衰减计算模型。在此基础上，采用考虑弹性模量衰减的混凝土受压损伤模型，建立了劣化管片结构抗弯力学模型。计算结果表明:随着侵蚀年限的增加，管片结构接缝的张开量、闭合量和转角非线性快速增加，管片结构的抗弯刚度急剧衰减。　　(3)管片结构弹性密封垫力学性能劣化机理。开展了三元乙丙橡胶压应力-水热老化加速试验，研究了预压缩和老化时间对橡胶压缩永久变形和应力-应变特性等长期力学性能的衰减规律，修正了考虑预压缩应变的橡胶本构模型，实现了橡胶长期力学性能和残余性能的预测。研究了考虑空间结构的弹性密封垫长期力学性能，系统分析了不同截面形式弹性密封垫的应力集中现象、压缩永久变形规律和压缩力-压缩量关系，揭示了管片结构弹性密封垫力学性能劣化机理。　　(4)管片结构弹性密封垫密封界面渗漏机制。基于弹性密封垫粗糙表面形貌参数和微凸体几何特征，建立了密封界面接触力学模型，分析了接触应力、表面形貌对密封界面闭合量的影响规律。结合密封界面结构特性，阐明了密封界面渗漏机制，建立了渗漏通道流体流动判据，提出了考虑表面形貌特性的密封界面渗漏流量计算方法，分析了接触应力、表面形貌、水压和服役时间对密封界面渗漏流量的影响规律。开展了密封界面渗漏水试验，揭示了接缝张开和错台对临界渗漏压力和渗漏流量的影响规律，并将结果同理论值对比，验证了理论的合理性。　　(5)服役期隧道渗漏水模型试验。研发了隧道渗漏水模型试验系统，通过局部超载模拟不均匀沉降，加热管片降低弹性模量模拟海水侵蚀劣化，实现了海底隧道等效服役年限的模拟，揭示了隧道渗漏量随服役年限的非线性增长规律。隧道环缝变形随服役年限可近似划分为3个阶段，分别是非线性快速增长阶段、线性增长阶段和非线性缓慢增长阶段。隧道环缝变形和弹性密封垫应力松弛的共同作用加剧了密封界面渗漏水。　　(6)服役期隧道渗漏流量预测。建立了考虑剪切错台和侵蚀劣化的隧道纵向变形计算模型，研究了管片结构环缝张开量和错台量随服役年限的非线性增长规律。基于高等渗流力学理论，建立了考虑剪切错台和侵蚀劣化的服役期隧道渗漏流量计算模型，实现了服役期隧道渗漏流量预测。与模型试验结果对比分析，验证了计算模型的合理性和准确性。预测了青岛地铁8号线海底隧道工程的长期服役性能，结果表明满足海底隧道防水规范要求。
作者：	刘衍凯
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	张庆松;刘人太
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022