高水压山岭隧道衬砌损伤机理与模型研究

摘要

深埋山岭隧道在穿越富水区时，隧道衬砌都不可避免的承受高水压的作用，尤其是堵水型排水方式。在高水压作用下，混凝土衬砌损伤劣化机理较之其他载荷作用下有诸多的不同。承高水压山岭隧道混凝土衬砌渗流、应力和损伤之间存在显著的耦合作用，水压渗透作用对混凝衬砌的损伤产生不可忽略的影响。本文的研究工作主要如下:
　　①依据构成一个科学合理的损伤理论的四个组成部分，对混凝土结构损伤机理进行分析阐述;从宏细观对混凝土结构损伤机理进行分析，基于典型的混凝土应力应变曲线对混凝土结构的损伤演化发展阶段进行划分，划分为线弹性阶段、非线性强化阶段、应力跌落阶段和应变软化阶段;细观上认为混凝土结构的损伤与其不均匀性和硬化过程中的失水收缩具有强相关性。
　　②对于水压渗透作用下，通过对混凝土的渗透性能、水在混凝土裂隙系统中的渗流规律以及水和混凝土之间的相互作用对混凝土的渗流场进行研究，并提出混凝土裂隙系统的初始渗透系数的计算公式。从宏细观上对混凝土的渗透性能进行分析，并依据典型的应力应变曲线对混凝土渗透系数的变化划分四个阶段，分别为弹性压密阶段、压密稳定阶段、塑性突跳阶段和软化平稳阶段;建立渗流-应力耦合模型和渗流-损伤耦合模型对水压渗透作用下混凝土结构的损伤特性。
　　③基于对深埋山岭圆形隧道衬砌的平面应变假设，采用了外水压力折减系数计算法计算外水压力，建立了外水压力在混凝土衬砌中的分布计算公式;提出了衬砌内水压力的计算公式。通过双标量表征损伤场变量，建立混凝土结构弹塑性损伤模型，通过对平面极坐标公式建立衬砌渗流-应力-损伤耦合模型，基于前人的研究，修正了三场耦合的控制方程;并通过ABAQUS有限元数值分析软件对模型进行分析和验证，该模型可用于混凝土衬砌的损伤判定，为隧道衬砌维护提供技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．1．1 问题的提出

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混凝土损伤研究现状

1．2．2 水压渗透作用下混凝土损伤研究

1．3 本文研究的主要内容

第二章 混凝土结构的损伤机理

2．1 混凝土损伤特性

2．1．1 损伤行为描述

2．1．2 损伤宏观分析

2．1．3 损伤细观分析

2．2 损伤场变量

2．3 混凝土损伤演化方程

2．3．1 研究方法

2．3．2 损伤演化方程

2．4 混凝土损伤本构模型

2．4．1 Loland模型

2．4．2 Mazars模型

2．4．3 Krajcinovic损伤模型

2．4．4 徐变损伤模型

2．5 混凝土结构损伤分析

2．5．1 结构损伤分析的关键性问题

2．5．2 结构损伤类型

2．5．3 初始和边界条件的求解

2．6 本章小结

第三章 水压渗透作用下混凝土结构损伤特性

3．1 水压作用下混凝土渗透性分析

3．1．1 渗透性宏观分析

3．1．2 渗透性细观分析

3．2 水在混凝土裂隙中的渗流规律

3．3 混凝土的渗透水压作用研究

3．3．1 渗透水压力作用机理

3．3．2 内水压力临界判定条件

3．4 混凝土结构渗流-应力耦合分析

3．4．1 渗流-应力耦合机理

3．4．2 渗流-应力耦合模型

3．5 混凝土结构渗流-损伤耦合分析

3．5．1 渗流-损伤耦合机理

3．5．2 渗流-损伤耦合模型

3．6 本章小结

第四章 基于耦合作用的承水压衬砌损伤模型

4．1 富水区山岭隧道外水压力

4．2 混凝土衬砌静水压力分布规律

4．2 混凝土结构弹塑性损伤模型

4．2．1 损伤变量

4．2．2 本构关系

4．2．3 屈服准则

4．2．4 流动法则

4．3 混凝土衬砌渗流-应力-损伤耦合分析

4．3．1 渗流-应力-损伤耦合机理

4．3．2 渗流-应力-损伤耦合模型

4．4 ABAQUS有限元软件耦合分析步骤

4．4．1 Newton迭代与收敛

4．4．2 自动控制增量

4．4．3 确定耦合分析类型

4．4．4 选择时间步长

4．5 算例分析

4．5．1 模型建立

4．5．2 模型分析方案

4．5．3 模型结果与分析

4．6 本章小结

第五章 结语与展望

5．1 结语

5．2 展望

致谢

参考文献

在读期间发表的论文及参与的科研项目