衬砌病害对在役隧道安全性的影响分析及评价

论文摘要

由于地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、运营过程中各种因素的影响,导致隧道建成后,出现了不同程度的病害,给公路运输带来了安全隐患。目前隧道衬砌病害对在役隧道结构安全性影响的定量分析还不是很充分,尚缺少能够用于在役隧道安全性评价的定量病害标准。本文首先对拱顶部存在空洞的衬砌试验进行了数值模拟,分析了含顶部空洞衬砌在不同载荷比下的变形、内力特征,并与试验结果进行了对比。其次本文选取了典型隧道,利用《公路隧道设计规范》计算了衬砌工作状态下的设计载荷,采用载荷结构法和ABAQUS软件建立了无损衬砌、含背后空洞衬砌、含局部厚度不足衬砌、含混凝土强度劣化衬砌和含衬砌裂缝四种有限元分析模型,其中衬砌背后空洞模型的建立采用去除空洞部分对应载荷及支撑弹簧的方式。衬砌背后空洞的计算中共采用了25种工况,衬砌厚度不足共采用了16种工况,混凝土强度劣化采用了5种工况,衬砌裂缝采用了20种工况,分别研究了不同程度病害发生位置于拱顶、拱腰、边墙和拱脚时衬砌的变形、内力及安全系数。计算结果表明病害位置和病害程度对衬砌安全性的影响显著,随着病害程度的增加,结构的安全性单调下降,其中拱脚处的病害是最不利的,拱脚空洞和拱脚处的厚度不足及裂缝会引起衬砌结构安全系数的急剧下降,此外靠近拱顶处的空洞和裂缝也会引起衬砌结构安全系数较大幅度的下降。最后本文对数值计算结果进行了数据拟合,得到了病害程度与衬砌整体安全性下降程度的关系,并给出了关于衬砌病害定量评价的推荐分级标准。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景与研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 病害机理和结构安全性计算理论
• 2.1 病害成因及衬砌结构模拟方法
• 2.1.1 无损衬砌结构模拟方法
• 2.1.2 衬砌背后空洞成因与结构模拟方法
• 2.1.3 衬砌厚度不足成因与结构模拟方法
• 2.1.4 衬砌材料劣化成因与结构模拟方法
• 2.1.5 衬砌裂缝成因与结构模拟方法
• 2.2 隧道围岩应力的计算方法
• 2.2.1 浅埋隧道
• 2.2.2 中埋隧道
• 2.2.3 深埋隧道
• 2.3 结构安全性计算
• 2.3.1 素混凝土矩形截面强度计算方法
• 2.3.2 钢筋混凝土矩形截面强度计算方法
• 2.3.2.1 大偏心受压构件的极限承载力计算
• 2.3.2.2 小偏心受压构件的极限承载力计算
• 第3章 隧道衬砌背后空洞试验的数值模拟
• 3.1 试验概况
• 3.2 数值模拟
• 3.2.1 数值模拟的模型建立
• 3.2.2 数值模拟结果
• 3.2.3 数值模拟与试验结果的比较和分析
• 3.3 本章结论
• 第4章 隧道衬砌背后空洞的安全性评价
• 4.1 无损衬砌安全性分析
• 4.1.1 参数选取及模型建立
• 4.1.2 无损衬砌的数值结果分析
• 4.2 含背后空洞衬砌安全性分析
• 4.2.1 参数选取及模型建立
• 4.2.2 空洞位置及空洞大小对衬砌安全性的影响
• 4.2.2.1 同一位置,不同大小空洞对衬砌安全性的影响
• 4.2.2.2 不同位置空洞对衬砌安全性的影响
• 4.3 衬砌背后空洞的安全性评价
• 4.3.1 空洞出现在地面以上位置的评价标准
• 4.3.2 空洞出现在拱脚位置的评价标准
• 4.4 本章小结
• 第5章 衬砌厚度不足和混凝土强度劣化对隧道安全性的影响
• 5.1 厚度不足对衬砌安全性的影响
• 5.1.1 厚度不足位置的影响
• 5.1.1.1 拱顶厚度不足
• 5.1.1.2 拱腰厚度不足
• 5.1.1.3 边墙厚度不足
• 5.1.1.4 拱脚厚度不足
• 5.1.2 厚度不足区域大小的影响
• 5.1.3 厚度不足程度的影响
• 5.1.4 安全评价
• 5.2 衬砌混凝土强度劣化
• 5.3 本章小结
• 第6章 裂缝对衬砌安全性的影响
• 6.1 试验概况
• 6.2 裂缝引起的素混凝土刚度下降对衬砌安全性的影响
• 6.2.1 数值模拟参数选取及模型建立
• 6.2.2 数值计算结果分析
• 6.2.2.1 无损衬砌的安全性分析
• 6.2.2.2 含裂缝衬砌的安全性分析
• 6.3 裂纹尖端稳定性对衬砌安全性的影响
• 6.3.1 断裂基本理论
• 6.3.2 数值模拟参数选取及模型建立
• 6.3.3 数值计算结果分析
• 6.4 本章小节
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢