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原文传递寒区富水隧道围岩冻胀力及衬砌结构裂损演化规律研究

论文题名：	寒区富水隧道围岩冻胀力及衬砌结构裂损演化规律研究
关键词：	寒区隧道;冻结圈围岩;冻胀力;局部积水;衬砌裂缝
摘要：	随着“西部大开发”、“一带一路”与“川藏铁路”等国家战略的提出，我国交通路网逐渐向高寒、高海拔地区延伸。大量正在修建和已运营的寒区隧道衬砌结构在冻胀力作用下，导致二次衬砌出现开裂、挂冰等冻害现象，其严重制约着寒区隧道工程设施的建设和运维安全。鉴于寒区隧道围岩冻胀的复杂性，目前针对围岩冻胀力的研究还没有达到共识。本文采用理论分析、室内试验、数值模拟及模型试验等手段，推导了平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力理论解;提出了考虑风化破碎层和裂隙围岩层等复合围岩层的隧道冻胀力计算模型;建立了三维圆锥体约束局部积水冻胀力的改进模型，提出了寒区局部积水冻胀力计算方法;构建了钢筋混凝土衬砌结构的三维数值分析模型，揭示了衬砌结构在冻胀力作用下的受力特征、随机开裂与损伤破坏的模式,并在工程中得到了验证。本文研究内容为寒区富水隧道衬砌冻胀机理及裂损演化提供了理论依据和技术支撑。获得以下研究成果: 　　(1)寒区富水隧道围岩冻胀演化机制是影响其运营安全的关键科学问题。为探究冻结圈围岩的冻胀力演化规律，开展含水围岩低温冻结作用下三维地质力学缩尺模型试验;采用环境冷气进入洞内降温的方式，模拟隧道洞口段围岩温度场分布特征;利用微型压力传感器对含水围岩在低温冻结过程中的冻胀力进行实时动态监测，揭示了不同含水率和冻结圈厚度围岩下的冻胀力时空演化规律。　　(2)寒区山岭隧道围岩局部积水冻胀是造成衬砌裂损的主要原因之一，为揭示寒区隧道局部积水冻胀力作用机制，基于自主设计的水囊装置模拟衬砌背后局部脱空积水开展室内冻结试验;研究了隧道围岩与脱空积水空间的冻胀响应特征，分析了冻结作用下温度场和冻胀力变化规律。采用热应力方法模拟冻胀力演化特征，本文室内试验结果与数值计算结果具有较好的一致性。　　(3)基于室内试验的实测数据，采用多元回归分析方法，建立了考虑围岩冻胀率、冻结圈厚度与含水率等参数的拟合计算式;结合弹性状态的裂隙冻结圈围岩冻胀力解析解，给出了平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力半经验理论解。　　(4)基于前文冻胀力理论研究基础，综合考虑含水风化破碎层和裂隙围岩层的冻胀力计算改进模型，推导了复合冻结圈围岩层的冻胀力解析解;耦合多参数分析方法，给出了考虑围岩水-热传递效应的围岩冻胀力计算方程，揭示了多参数耦合的冻结深度及冻胀力影响规律;通过系统稳定性分析，研究了不同参数对冻胀力的敏感性特征。　　(5)基于隧道结构脱空尺寸及形状的多样化特点，提出了三维圆锥体的约束冻胀力改进模型，推导了考虑积水空间体积、约束面及围岩、衬砌抗力系数因素的解析计算式;结合冻胀力试验结果，建立了考虑时间效应的积水冻胀力演化规律，得到了冻胀力时空半经验理论解。本文提出的冻胀力模型可以考虑三维局部积水空间任意形状及尺寸效应影响，与现有理论模型及试验结果吻合较好，具有一定的工程应用参考价值。　　(6)冻胀力荷载实际上是一种特殊形式的外部附加荷载，针对外荷载作用下隧道衬砌裂损演化问题，研制了衬砌卧式加载模型试验装置，实现了钢筋混凝土衬砌力学特性和裂损演化规律研究。基于扩展有限元和荷载-结构模型计算方法，构建了马蹄形钢筋混凝土衬砌结构的三维数值仿真模型，验证了数值计算方法模拟衬砌裂损演化规律的可行性。　　(7)基于前文研究成果，开展了不同冻结圈围岩程度和不同局部积水面积共计21组数值模拟试验研究，揭示了冻胀力作用下钢筋混凝土衬砌的力学特征、裂损演化规律及衬砌截面安全特征。结合现场光纤分布式应变测试结果和提出衬砌结构计算模型进行对比分析,实现了工程现场隧道洞口段衬砌承受的冻胀力预测研究。研究成果为寒区隧道围岩冻胀机理深化及冻害防控提供理论依据和工程借鉴。
作者：	郑新雨
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	杜彦良
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023