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极端降雨条件下隧道衬砌外水压力及其受力特性研究
| 论文题名： | 极端降雨条件下隧道衬砌外水压力及其受力特性研究 |
| 关键词： | 隧道衬砌;极端降雨;非饱和渗流;流固耦合作用;排水性能;外水压力;受力特性 |
| 摘要： | 近年来，我国基础设施建设规模蓬勃发展，公路、铁路隧道工程数量急剧增加，为国民经济发展带来诸多便利。然而研究表明，地下水渗流到隧道衬砌背后形成的水压力常常导致衬砌结构出现渗漏水、甚至变形开裂等问题。目前，科研人员在研究隧道衬砌结构外水压力问题时，为了简化计算，常认为围岩渗流场是稳态的，忽视了雨水入渗对渗流场的影响。在我国西南地区雨水充沛，近些年极端天气频发，因此，研究极端降雨条件下隧道衬砌外水压力及其受力特性具有重要的意义。鉴于此，本文综合采用现场监测、理论分析以及数值模拟计算等方法，对极端降雨条件下隧道衬砌结构外水压力及其受力特性进行了系统地研究；探究了极端降雨条件下隧道排水性能对衬砌外水压力的影响。本文主要内容及结论如下： （1）以重庆市境内某隧道为依托，对隧址区降雨情况、衬砌外水压力、支护压力开展了长期监测。通过分析不同降雨入渗条件下的监测数据，获得了衬砌结构外水压力、支护压力与降雨强度、降雨时长的变化规律。现场监测结果说明隧址区降雨入渗对衬砌结构受力有着很大影响。 （2）基于降雨入渗与非饱和渗流理论，探讨了降雨的物理过程，总结了负孔隙水压力、土体饱和度与渗透系数的函数关系，利用FLAC3D数值计算软件的FISH语言自编程功能对入渗边界条件与渗流模块进行了二次开发，实现了极端降雨条件下隧道工程非饱和渗流有限元计算。 （3）利用自编的降雨非饱和渗流修正模块，考虑流固耦合作用，以降雨前隧道周边稳态渗流场作为初始条件，分析了不同降雨强度、降雨时长、初始水位等工况隧道渗流场与应力场的分布规律。结果表明：降雨后，衬砌结构外水压力、应力、位移显著提高。衬砌结构外水压力、结构应力与位移随降雨强度、降雨时长的增加而增加，但由于土体渗透能力与饱和度的限制，这种增长趋势不会一直存在；降雨前初始地下水位越低，极端降雨条件下衬砌结构外水压力、结构应力与位移受影响程度越大。 （4）基于有限差分法，对不同降雨条件与排水性能工况进行了计算，揭示了极端降雨条件下隧道排水性能对衬砌结构外水压力的影响规律，并针对依托工程制定了不同降雨条件下合理的地下水排放量。结果表明：隧道排水系统的设置，对极端降雨条件下衬砌结构外水压力有明显的削弱作用；排水系统性能、降雨强度、降雨时长均会影响隧道地下水排放量；衬砌结构外水压力与隧道地下水排放量呈负线性相关，衬砌外水压力随排放量的增加而逐渐降低。 |
| 作者： | 王维 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 王建华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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