石膏围岩腐蚀特性对隧道衬砌结构安全性影响研究

摘要

我国各地高速公路工程随着经济的发展而大量开展，越来越多的工程不得不面临十分复杂的地质条件。公路隧道是公路系统的重要组成部分，越来越多隧道在石膏岩地层中修建，石膏岩石一种典型的膨胀腐蚀类围岩，其腐蚀性会对衬砌结构强度造成严重劣化，影响隧道后期运营安全。针对这一工程病害，本文以礼让隧道为工程依托，通过设计正交试验研究了不同因素对混凝土腐蚀后强度变化量的影响规律及权重，并基于BP神经网络建立了混凝土腐蚀后强度变化量预测模型，然后对隧道衬砌结构混凝土腐蚀后受力情况演化进行了数值模拟，主要研究内容及结论如下：
　　(1)采用正交试验方法，研究了混凝土抗渗等级、C3A含量、腐蚀溶液压力、SO42-浓度和时间五个因素综合作用下硫酸盐对混凝土的腐蚀特性，分析了不同因素对混凝土腐蚀后强度变化量的影响规律，结果显示：抗渗等级、C3A含量与混凝土腐蚀后强度变化量成二次函数关系，硫酸根浓度和时间与混凝土腐蚀后强度变化量成对数函数关系，溶液压力与混凝土腐蚀后强度变化量近似呈线性关系。
　　(2)采用极差分析法和层次分析法对各因素对混凝土腐蚀后强度变化量的影响权重分别进行定性分析和定量解算。极差分析结果显示各因素按权重大小排序依次为：C3A含量、硫酸根浓度、时间、抗渗等级、溶液压力；层次分析法结果显示各因素对应的影响权重依次为：0.3797、0.319、0.101、0.1818、0.0186。
　　(3)基于 BP神经网络，分别构建了隐含层神经元个数为3~13的混凝土腐蚀后强度变化量预测模型，并进行训练和检验，检验结果表明混凝土腐蚀后强度变化量预测模型中隐含层神经元个数为9时模型预测结果最准确，所选五个预测样本预测结果最大误差为4.2％。
　　(4)基于损伤力学原理，建立了混凝土完全腐蚀厚度模型，并根据混凝土腐蚀后强度变化量预测模型的预测值，计算出了礼让隧道运营期10年、20年、……100年后衬砌结构等效完全腐蚀后厚度分别为7.36cm、8.10cm、8.54cm、8.85cm、9.10cm、9.30cm、9.48cm、9.63cm、9.76cm、9.88cm。
　　(5)在常规荷载-结构模型的基础上，采用接触分析方法，提出了基于接触分析的荷载-结构模型，并采用该方法对礼让隧道衬砌结构受力情况进行了模拟，得到了其最大压应力和最大拉应力在礼让隧道运营期的变化情况。
　　(6)从多方面提出了礼让隧道衬砌结构防腐蚀技术措施，包括：提出改善喷射混凝土防腐蚀性能、改善二次衬砌防腐蚀性能、采用全包防水板、涂憎水材料等防腐蚀措施。在优化后参数下采用混凝土腐蚀后强度变化量预测模型进行预测，可得其强度变化改善量高达35%。

目录

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

1.4研究方法及技术路线

2 石膏围岩隧道衬砌结构混凝土腐蚀试验研究

2.1试验方法及条件

2.2试件表面形貌特征变化

2.3不同因素对混凝土腐蚀后强度变化的影响规律

2.4不同因素对混凝土腐蚀后强度变化影响权重分析

2.5本章小结

3 基于BP神经网络的混凝土腐蚀后强度变化预测模型

3.1 BP神经网络原理

3.2 BP神经网络的MATLAB实现

3.3基本BP神经网络的混凝土腐蚀后强度变化预测模型

3.4本章小结

4 礼让隧道衬砌腐蚀后应力演化数值模拟研究

4.1礼让隧道工程概况

4.2衬砌结构完全腐蚀深度模型

4.3礼让隧道数值计算模型研究

4.4礼让隧道衬砌腐蚀后应力演化数值模拟

4.5礼让隧道衬砌结构防腐蚀措施建议

4.6本章小结

5 结论与展望

5.1主要结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者学习期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士期间申请的专利

C. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目和实践课题研究

D. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励