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黃土公路隧道結構性能劣化機理與評價處治技術 版權信息
- ISBN：9787030569028
- 條形碼：9787030569028 ; 978-7-03-056902-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
黃土公路隧道結構性能劣化機理與評價處治技術 本書特色
本書針對在役黃土公路隧道結構病害問題，在總結已有黃土公路隧道相關研究成果的基礎上，詳細研究黃土圍巖浸水惡化后隧道襯砌結構性能演化特征和劣化機理，并選取適用于圍巖浸水惡化情況下黃土隧道襯砌結構的相關評價指標，建立相應的隧道健康評級體系。同時，選取適用于隧道襯砌結構裂縫修補的地聚合物膠凝材料的**配合比，并研究地聚合物膠凝材料在兩種狀態下的黏結性能和修補效果，論證了地聚合物膠凝材料作為襯砌裂縫修補材料的可行性。
黃土公路隧道結構性能劣化機理與評價處治技術 內容簡介
由來弘鵬、謝永利、劉禹陽著的《黃土公路隧道結構性能劣化機理與評價處治技術》針對在役黃土公路隧道結構病害問題，在總結已有黃土公路隧道相關研究成果的基礎上，詳細研究黃土圍巖浸水惡化后隧道襯砌結構性能演化特征和劣化機理，并選取適用于圍巖浸水惡化情況下黃土隧道襯砌結構的相關評價指標，建立相應的隧道健康評級體系。同時，選取適用于隧道襯砌結構裂縫修補的地聚合物膠凝材料的*佳配合比，并研究地聚合物膠凝材料在兩種狀態下的黏結性能和修補效果，論證了地聚合物膠凝材料作為襯砌裂縫修補材料的可行性。本書適合隧道工程方面的科研、設計、施工人員閱讀，也可供高等院校、科研院所相關專業的教師和研究生參考。
黃土公路隧道結構性能劣化機理與評價處治技術 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 目的及意義 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 黃土本構關系及其在襯砌結構研究中的應用 3
1.2.2 隧道襯砌試驗設備研發 5
1.2.3 黃土隧道圍巖惡化對襯砌結構的影響研究 8
1.2.4 隧道襯砌結構裂縫研究 9
1.2.5 健康評價體系研究 11
1.2.6 隧道裂縫修補方法及材料研究 12
1.2.7 地聚合物膠凝材料及性能研究 15
1.3 本書主要內容 18
第2章 結構性鄧肯-張本構模型及其二次開發 20
2.1 概述 20
2.2 黃土的結構性參數及公式擬合 20
2.2.1 三軸剪切條件下黃土結構性參數msε 20
2.2.2 三軸剪切條件下黃土結構性參數msε的公式擬合 22
2.2.3 三軸剪切條件下黃土結構性參數msε計算軟件設計 27
2.3 靜荷作用下非飽和黃土的結構性鄧肯-張本構模型 29
2.3.1 結構性鄧肯-張本構模型的推導 30
2.3.2 黃土結構性鄧肯-張本構模型的二次開發 32
2.3.3 ANSYS中黃土結構性鄧肯-張本構模型的驗證 40
2.4 小結 42
第3章 圍巖浸水惡化后黃土隧道襯砌受力數值計算 43
3.1 概述 43
3.2 黃土隧道圍巖浸水及襯砌結構劣化的客觀存在 43
3.3 黃土裂縫浸水擴散范圍 45
3.4 建立有限元模型 46
3.4.1 本構關系與單元選擇 47
3.4.2 邊界條件和模型參數 47
3.4.3 計算工況的確定 48
3.5 二次襯砌表面接觸壓力結果分析 50
3.5.1 兩側拱腳圍巖浸水 50
3.5.2 兩側拱腰圍巖浸水 52
3.5.3 一側（右側）拱腳圍巖浸水 55
3.5.4 一側（右側）拱腰圍巖浸水 56
3.5.5 一側（右側）拱腳圍巖與另一側（左側）拱腰圍巖浸水 58
3.6 小結 59
第4章 隧道襯砌結構力學性能測試平臺的研發與試驗設計 61
4.1 概述 61
4.2 隧道襯砌力學性能測試平臺的設計 61
4.2.1 驅動系統 62
4.2.2 加載系統 63
4.2.3 控制系統 64
4.3 試驗測試平臺安全性驗算 66
4.4 測試平臺的操作流程 71
4.5 試驗測試平臺可靠性驗證 73
4.6 黃土圍巖浸水惡化下隧道襯砌模型試驗設計 75
4.6.1 相似理論及量綱分析 75
4.6.2 試驗相似條件及相似常數 78
4.6.3 襯砌相似材料試驗 80
4.7 模型襯砌制作 84
4.8 試驗測試內容及元件布設 89
4.8.1 量測內容與目的 89
4.8.2 測試元件布設 89
4.9 加載工況 90
4.9.1 開始加載至未浸水階段加載 90
4.9.2 不同浸水工況下加載 91
4.9.3 浸水5m至模型失穩階段加載 94
4.10 小結 95
第5章 黃土圍巖浸水惡化下襯砌結構力學性能演化特征 96
5.1 概述 96
5.2 不同浸水工況下襯砌應變分布規律 96
5.2.1 未浸水階段 97
5.2.2 不同浸水工況 98
5.3 圍巖浸水過程中襯砌內力變化及分布 108
5.3.1 襯砌軸力變化及分布 108
5.3.2 襯砌彎矩變化及分布 118
5.3.3 內力變化及分布 128
5.4 小結 129
第6章 黃土圍巖浸水惡化下襯砌結構性能劣化機理 132
6.1 概述 132
6.2 襯砌變形和裂縫發展規律 132
6.2.1 兩側拱腳圍巖浸水 132
6.2.2 兩側拱腰圍巖浸水 135
6.2.3 一側（右側）拱腳圍巖浸水 138
6.2.4 一側（右側）拱腰圍巖浸水 141
6.2.5 一側（右側）拱腳圍巖與另一側（左側）拱腰圍巖浸水 144
6.3 圍巖浸水條件下襯砌裂縫分布特征 147
6.3.1 橫斷面裂縫類型分布規律 147
6.3.2 裂縫形態分布規律 149
6.3.3 開裂部位分布規律 150
6.3.4 縱向貫穿長度分布規律 150
6.3.5 開裂深度分布規律 152
6.3.6 貫通類型分布規律 154
6.3.7 內外側分布規律 155
6.3.8 壓板相對位置分布規律 156
6.4 襯砌結構能量變化分析 158
6.4.1 襯砌開裂對整體結構卸能范圍分析 158
6.4.2 襯砌開裂對局部結構卸能范圍分析 161
6.5 帶裂縫襯砌可承擔荷載比 167
6.6 圍巖浸水襯砌劣化后襯砌重點加固位置及加固目標 169
6.6.1 裂縫分布特征判斷圍巖浸水類型 169
6.6.2 圍巖浸水惡化下襯砌劣化后襯砌重點加固位置及加固目標 169
6.7 小結 171
第7章 圍巖浸水惡化下黃土公路隧道結構健康綜合評價體系 174
7.1 概述 174
7.2 評價體系構建總體思路 174
7.3 評價等級的確定 175
7.4 安全隸屬度函數構建 176
7.4.1 現行分級評定標準缺陷 176
7.4.2 安全等級隸屬度 176
7.4.3 建立安全等級隸屬函數 177
7.5 評價體系各構建要素分級 178
7.5.1 裂縫（內因）分級 178
7.5.2 圍巖（外因）分級 186
7.5.3 耦合程度分級 186
7.5.4 耦合關系分級及調整標準 188
7.6 綜合評價體系評定原則及評價流程 189
7.6.1 綜合評價體系評定原則 189
7.6.2 隧道評定區段評定單元劃分 191
7.6.3 各評定單元健康等級評定 191
7.6.4 隧道襯砌結構整體健康等級評定 192
7.6.5 評價流程 192
7.7 襯砌結構健康綜合評價體系可靠性驗證 193
7.7.1 檢驗工況選取 193
7.7.2 檢驗工況評價過程演示及評定結果 193
7.7.3 其余檢驗工況評定結果 195
7.7.4 檢驗工況評定結果分析 200
7.8 小結 201
第8章 隧道結構裂縫修補材料的配合比及性能研究 203
8.1 概述 203
8.2 試驗原材料 203
8.3 地聚合物膠凝材料的配合比 204
8.3.1 地聚合物膠凝材料的影響因素 204
8.3.2 配合比對抗折強度的影響 205
8.3.3 配合比對抗壓強度的影響 210
8.3.4 配合比對黏結強度的影響 213
8.3.5 *佳配合比的確定 216
8.4 地聚合物膠凝材料的性能試驗 217
8.4.1 地聚合物膠凝材料的抗壓強度試驗 217
8.4.2 地聚合物膠凝材料的抗折強度試驗 219
8.4.3 地聚合物膠凝材料的凝結時間試驗 220
8.4.4 地聚合物膠凝材料的X射線衍射試驗 222
8.4.5 地聚合物膠凝材料的SEM試驗 223
8.5 小結 224
第9章 試驗平臺研制與試驗設計 226
9.1 概述 226
9.2 隧道襯砌裂縫診治平臺簡介 226
9.3 平臺應力公式的推導 230
9.3.1 力學公式 230
9.3.2 力學計算 231
9.4 試件的制作和修補材料的調配 232
9.4.1 混凝土試件的制作 232
9.4.2 修補材料的調配 233
9.5 平臺應用 234
9.6 小結 235
第10章 隧道襯砌裂縫修補模型試驗及工藝流程 237
10.1 概述 237
10.2 無張拉應力狀態下裂縫修補試驗及結果分析 237
10.3 張拉應力狀態下裂縫修補試驗及結果分析 240
10.4 帶水狀態下裂縫修補試驗及結果分析 242
10.4.1 帶水狀態下裂縫修補試驗 242
10.4.2 地聚合物防水性能試驗 245
10.5 地聚合物膠凝材料修補工藝流程 246
10.5.1 無滲漏水隧道裂縫的修補工藝 247
10.5.2 滲漏水隧道裂縫的修補工藝 248
10.6 小結 248
參考文獻 250
文摘
第1章 緒論
1.1 目的及意義
黃土是在暖濕、冷濕、干旱氣候的反復波動和逐漸交替過渡環境中，沿襲不同古地貌，上覆于不同地層巖性，經受同期或非同期多次不同程度地質作用改造而形成的一套不同時代、不同成因，具有獨特物質組成、物理、力學特征和地貌景觀的第四系大陸松散堆積物[1，2]。
黃土分布廣泛，全球各大洲均有分布，總面積約1300萬km2，占陸地面積的9.3%。我國黃土分布面積約64萬km2，占國土面積的6.3%。其中，濕陷性黃土在我國的分布面積約占到全世界的3／4。黃土具有顯著的多孔性且垂直節理發育，結構性明顯，豎向透水性較強，同時，粉末性的顆粒組成決定了黃土具有濕陷性，遇水后固結能力減弱，強度下降明顯，常常會引起強烈的沉陷和變形[3，4]。
我國黃土公路隧道工程建設開始較晚，根據資料記載，**座黃土公路隧道為修筑在陜西北部黃土高原上的黑山寺隧道，單車道、青磚襯砌，1958年試驗性修建，1965年建成，早期黃土分布區修筑的公路隧道數量少且要求較低，存在的技術問題并不十分突出，隨著國家基礎設施建設力度的進一步加大、西部大開發的不斷深入以及路網的逐漸完善，隧道工程建設快速進入經濟欠發達的西部省區，穿越黃土地區的隧道也越來越多，近年來先后在甘肅、陜西、山西、河南等省修建了大量黃土隧道，部分公路隧道概況見表1.1[5]。
由于黃土結構與物理力學性狀的獨特性，新的問題不斷暴露，已建公路隧道出現不同程度的病害，個別隧道甚至在使用的開始幾年就存在嚴重的安全隱患，如襯砌開裂、隧道滲漏水、變形侵限、掉塊、坍塌、下沉、底鼓等。一般情況下，多種病害會同時存在，并且它們之間相互作用、相互影響。一旦襯砌裂縫未能處治妥當，就會造成結構的滲漏水，這種情況不但不易治理，而且會給隧道的正常運營造成影響，甚至還會造成隧道中照明、通風和消防設施的銹蝕及損壞。除此之外，路面積水也惡化了車輛的行駛環境，降低了車輛的行駛速度。這些病害不僅增加隧道的運營成本，而且嚴重影響隧道作為快捷便利通道功能的發揮[6~8]。黃土圍巖含水量對高速公路隧道穩定性影響顯著，針對不同含水量，黃土隧道需采用不同的支護、加固措施[9]（表1.2）。
表1.1 近年來部分典型黃土公路隧道概況
注：表中數據為調查資料，與實際情況可能有出入。
表1.2 高速公路隧道黃土圍巖含水量與支護關系
近幾年，農業灌溉、降水入滲、地下水位變化等圍巖條件惡化導致的隧道病害屢見不鮮，其中襯砌開裂現象*為普遍[10]。在降水較多地區和地表農業灌溉區內，大量隧道襯砌在拱頂、拱腰和邊墻均存在橫向、縱向或斜向分布的裂縫，拱頂正中部位裂縫多為縱向，部分襯砌裂縫存在滲水、白色晶體析出現象。襯砌開裂不僅影響隧道的美觀和耐久性，而且破壞襯砌結構完整性，縮短使用壽命，增加運營成本，嚴重情況下會造成襯砌的整體崩塌，導致巨大的經濟損失和不良社會影響[11~13]。因此，需要研究黃土隧道在運營階段的受力、變形、劣化發展的機理，并堅持“預防為主，防治結合”的理念，從而保證隧道結構的安全性和耐久性要求。
本書針對圍巖浸水惡化條件下黃土隧道結構劣化這一研究內容，考慮黃土結構性與水敏性特征，引入黃土結構性參數，編譯考慮黃土結構性的本構關系，明確黃土圍巖浸水的時空演變，制定并進行相應的襯砌模型試驗；探討黃土圍巖浸水的時空演變關系，研究黃土圍巖浸水惡化后隧道變形及襯砌結構性能演化特征，給出黃土圍巖浸水惡化下隧道襯砌裂縫發生發展過程及分布特征，得到襯砌結構劣化機理；建立黃土圍巖浸水惡化下隧道襯砌結構健康評價體系，并開發出適用于滲漏水條件下的隧道襯砌新型修補材料，這些均對圍巖惡化條件下在役黃土隧道襯砌結構劣化研究、長期安全性以及隧道修補加固具有重要的理論價值和實際指導意義。
1.2 國內外研究現狀
1.2.1 黃土本構關系及其在襯砌結構研究中的應用
彈性模型是材料本構關系中*簡單的一種。*常見的彈性模型有在Konder雙曲線基礎上的以彈性模量與泊松比為變形參數的鄧肯-張(Duncan-Chang)模型及以K、G為變形參數的Domaschuk-Valliappan模型、Battelino-Majes模型和Naylor模型。鄧肯-張模型因參數少、物理意義明確且可以利用常規三軸剪切試驗確定而成為國內外廣泛采用的巖土模型，但該模型的缺點是沒有反映土體中主應力、剪脹性、應力路徑和土體的各向異性。為了克服鄧肯-張模型的這些缺點，沈珠江[14，15]用體應變氏和剪切應變氏表示成球應力和剪應力的形式，從而反映了土體的剪脹性。以上為雙參數彈性模型，其*大的缺點是無法考慮剪脹性。為此，沈珠江建議用三參數剪脹模型。還有考慮更多因素的四、五、七和九參數的模型等。
劉祖典[16]先后提出黃土濕陷變形以及原狀黃土、飽和黃土、擠密黃土、擊實黃土、高圍壓下黃土的應力-應變關系曲線。分析了原狀黃土（Q2、Q3）隨沉積年代及側壓力的不同而表現出的不同類型和形式，基本呈三種類型，即軟化型、硬化型和理想塑性型，分別得到黃土的非線性彈性模型和彈塑性模型的本構方程，并應用在黃土邊坡穩定性分析及考慮上部結構與地基共同作用的飽和黃土地基變形-強度分析中。
陳正漢等[17]在考慮吸力的基礎上進行了兩種三軸試驗：一是控制凈平均應力等于常數的三軸收縮試驗；二是控制室壓力、孔隙氣壓力和基質吸力為常數的三軸排水剪切試驗，提出包括土的變形和水量變化的非飽和土的增量非線性模型。該模型考慮了土骨架變形和水體積變形，是飽和土的鄧肯-張模型的合理推廣，當吸力為0時退化為鄧肯-張模型；可預測不排水三軸試驗中的吸力變化，該模型共有13個參數，其中，11個參數與土的變形和強度有關，另外2個參數與水量變化有關，適用于重塑非飽和黃土。
謝定義等[18]依據土力學研究的方法，首次將土結構的顆粒排列特征和聯結特征兩個方面結合起來，提出了判斷土結構性強弱的標準，建議了一個簡明、可靠、實用且能全面反映土結構性的幾何特征和力學特征的土結構性參數，同時揭示了它與土變形和強度特征具有密切而規律性的聯系。
夏旺民[19，20]通過常規三軸試驗揭示了Q1黃土的應力-應變軟化和剪脹特性。對軟化型應力-應變曲線提出用駝峰曲線模擬，對體變曲線也提出用能反映剪脹特性的駝峰曲線模擬，建立了Q1黃土的非線性彈性K、G模型，揭示了勢線的硬化部分和軟化部分具有相同的橢圓曲線形式，采用橢圓來表示塑性勢函數，采用待定塑性功函數為硬化參數建立了Q1黃土的軟化型彈塑性本構模型。而后又通過在對原狀黃土和其不同干容重的重塑黃土進行大量常規試驗的基礎上，分析黃土的變形、強度和結構性，根據損傷力學理論，提出一個能夠綜合反映黃土增濕和加載作用下的彈塑性損傷本構模型，并對黃土工程問題進行模擬分析。
王朝陽[21]針對非飽和黃土通過三軸試驗和無損CT掃描技術，對黃土的細觀結構、孔隙等變化進行觀測，定義了非飽和黃土的損傷變量，將CT機得到的CT數據與宏觀的力學現象聯系起來，建立了非飽和黃土的非線性損傷本構方程。
李如夢[22]首先基于謝定義和邵生俊等提出的對土的結構性的研究方法，對蘭州地區原狀黃土、重塑黃土、飽和黃土進行了壓縮、固結、三軸剪切試驗，分析和總結了結構性參數的變化規律。在上述工作的基礎上，提出一個新的反映土的結構性損失的指標m。基于沈珠江的把變形中的土體看成原狀土和重塑土兩種材料的混合物，并且用雙彈簧模型描述兩者分擔應力的思路，在土的本構模型中引入土的結構性損失參數，提出一種考慮結構性影響的彈塑性本構模型。
駱亞生[23]從土的強度和變形受結構性控制的規律是相同的這一結論出發，提出和定義了基于強度考慮的土結構性定量化參數，即強度型結構性參數，彌補和發展了變形型結構性參數。通過結構性參數對非飽和黃土靜、動應力-應變關系曲線的歸一化作用效果分析，揭示了它與土變形和強度特性密切而規律性的關系，提出非飽和黃土在靜、動力作用的復雜應力條件下結構性的本構關系。
周飛飛[24]在飽和正常固結土的非線性彈性本構模型基礎上引入黃土結構性損傷演化規律，通過不同含水量和固結圍壓時常規三軸剪切試驗結果的分析，建立考慮非飽和黃土結構性的增濕本構模型，他的研究特點是考慮了增濕和加荷引起的結構損傷演化規律，強調結構性對本構關系的影響，同時將結構性土體的硬化型和軟化型應力-應變關系曲線視為變形統一過程，原因是原生結構損傷和次生結構生成的過程，所謂硬化和軟化只是兩者在不同狀態下（如固結圍壓σ3c和含水量ω不同）表現出的相對程度不同。
張騰[25]在已有結構性參數成果的基礎上，采用常規三軸剪切儀和應力控制三軸儀，應力控制三軸儀在試驗過程中可改變軸向應力和側向應力的大小，使黃土在復雜應力條件下的結構性研究更好的實現，更能全面反映土體結構特征的變化規律，使黃土的結構性研究更加全面、完善，*終建立結構性黃土的應變軟化和應變硬化的彈塑性本構模型。
馮志焱[26]考慮了目前能夠定量反映土結構性的結構性參數（如綜合結構勢），僅在偏壓的剪切應力狀態下，故對其進行改進、完善，使綜合結構勢的思想擴展應用于對土初始物理狀態下結構性的描述和等向應力條件下土結構性的描述，并將它們與已有的偏壓剪切應力狀態下的結構性參數的研究成果相結合，來跟蹤描述土結構性從初始狀態到不同受荷狀態下變化的全過程，*終將土結構性參數變化規律引入原狀黃土的應力-應變關系中，在靜力和動力條件下建立非飽和原狀黃土的本構模型。
鐘祖良[27]在伊柳辛假設的前提下在應變空間內根據Q2原狀黃土的試驗結果，對彈塑性變形分離，作出流線圖和勢線圖，并假定塑性流動符合相關聯流動法則，選用塑性功函數為硬化、軟化函數，建立了應變空間的Q2原狀黃土彈塑性本構模型。
鄧國華[28]在真三軸條件下對黃土的結構性參數進行研究，在彈塑性劍橋模型的基礎上，對屈服面進行修正，從塑性功出發得到隨結構性移動和變化的臨界狀態線和屈服面，假設服從相關聯流動法則推導得到修正的劍橋模型。
1.2.2 隧道襯砌試驗設備研發
關于隧道襯砌結構試驗設備研制和物理模型試驗，國內外學者已開展了相關研究：張強勇等[29]研制出一種巖土地質力學模型試驗系統，如圖1.1所示，該系統可對巖石相似材料包裹的隧道模型施加非線性荷載，從而研究隧道及圍巖相應的應力與變形情況。
Chen等[30]利用荷載分散梁在圍巖上部施加均布荷載，如圖1.2所示，通過小比例模型試驗研究了在極限荷載作用下磚砌隧道的真實力學性能變化。
Seki等[31]利用了一種立方體三維加載裝置，如圖1.3所示，全方位約束圍巖變形并對隧道下部圍巖施加荷載，研究確定了用于評估不同加載工況下導致不同程度路面拱起病害的主要因素。
圖1.1 巖土地質力學模型試驗系統
1.盒式臺架裝置；2.液壓加載控制試驗臺；3.變荷加載板；4.微型千斤頂；5.高壓油管
圖1.2 地層加載設備
圖1.3 立方體三維加載裝置
魯亮等[32]、曹文宏等[33]研制了1∶1地鐵圓形襯砌加載平臺，如圖1.4所示，襯砌周邊布設24個集中力加載點，模擬地層抗力、水土壓力和地面超載等荷載，該平臺可用來研究不同加載效應下隧道管片的橫向大變形及承載力問題。Zhao等[34]利用該平臺進行全尺寸模型試驗并與數值方法結合，對環氧樹脂黏結鋼板加固的盾構襯砌提出一種簡化的非線性數值模擬方法。
Nakamura等[35]研發了一種異性襯砌加載裝置，如圖1.5所示，基坑壁提供有效反力與支撐，用以研究異性襯砌在不同受力情況下的襯砌變形與受力情況。西南交通大學研制了可模擬水荷載的密閉非均勻水壓加載裝置，如圖1.6所示，通過對襯砌模型預先施加一定環箍力來模擬水荷載。何川[36~38]利用該平臺研究了
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