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高水压隧道衬砌混凝土损伤特性研究
| 论文题名： | 高水压隧道衬砌混凝土损伤特性研究 |
| 关键词： | 高水压隧道;混凝土;损伤特性;有限元;衬砌结构;内渗流场 |
| 摘要： | 很多隧道在投入运营以后会出现不同程度的损伤，如混凝土劣化、钢筋锈蚀、渗漏水严重等现象，影响隧道的正常使用。高水压地段隧道衬砌要承受围岩压力以及外水压力，由于混凝土的渗透性，地下水会在混凝土内的裂纹和孔隙内渗流给混凝土带来内部孔隙水压力。此外，隧道内部环境复杂且地下水中侵蚀性离子较多，会对衬砌混凝土造成腐蚀。隧道衬砌混凝土的碳化和钢筋锈蚀以及裂损可以降低混凝土的强度，增大混凝土的孔隙度，在水压作用下促进水体的渗透，与此同时混凝土的渗流场与应力场相互作用，影响其损伤的发展。本文分析了隧道的复杂环境对衬砌混凝土耐久性损伤的影响;运用断裂力学应力强度因子分析衬砌在拉压应力作用下裂纹深度对其损伤发展造成的影响;研究了水压渗透作用下衬砌混凝土内部渗流场与应力场之间的耦合关系，并利用有限元软件ABAQUS分析渗流—应力耦合作用下对混凝土损伤的影响。本文的主要工作及成果如下: ①公路隧道通车量的较多，导致隧道内部堆积的酸性气体增多，加快了衬砌混凝土的碳化损伤，降低混凝土的工作性能。富水区隧道地下水中含有很多侵蚀性离子对混凝土以及钢筋混凝土中的钢筋进行侵蚀，使混凝土与钢筋的有效承载面积减少，损伤量增加。据此建立了混凝土碳化损伤模型以及钢筋锈蚀损伤模型。 ②运用断裂力学原理，根据应力强度因子针对裂纹深度对衬砌结构损伤影响进行分析。应力强度因子是判断衬砌结构破坏失稳的重要因子，其值与衬砌在拉伸、弯矩作用下的轴力和弯矩成正比。当在裂纹发展初期，其深度对混凝土损伤的影响是很缓慢的，但是到了一定程度后，应力强度因子发生突变，这时裂纹深度很小的扩展都会加剧衬砌混凝土损伤，直至发生贯穿裂缝影响衬砌的承载能力。 ③混凝土自身带有微裂纹、微孔隙等初始损伤，在外界环境和周围压力的作用下，初始损伤逐渐扩展，在高水压的作用下提高了其渗透性能。隧道衬砌混凝土内渗流场与应力场相互作用，相互演化，影响着损伤的发展。本文建立了衬砌混凝土在高水压下渗流场与应力场的耦合关系，并建立渗流系数与应力、损伤之间的关系。通过ABAQUS有限元软件对高水压下隧道衬砌混凝土进行模拟，得到衬砌混凝土在渗流与应力耦合作用下损伤出现在拱腰部位，并且隧洞内侧衬砌损伤最先发展，损伤与等效塑性应变以及渗流系数具有一定的相关性。 本文的研究可以作为在隧道某个位置和时间设置各项装置对损伤进行检测，及时采取有效措施防止衬砌的损伤提供依据。 |
| 作者： | 张丽珺 |
| 专业： | 材料工程 |
| 导师： | 翁其能 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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