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《吉林大学》 2011年
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寒区公路隧道二次衬砌环向裂缝机理研究

李忠  
【摘要】:环向裂缝在寒区公路隧道二次衬砌大量产生,严重影响了隧道结构的适用性、耐久性,有的进一步发展并诱发其它隧道病害,影响到隧道的安全性。本文从定量的角度出发,对寒区隧道的二次衬环向裂缝的成因、发展过程进行了研究,为预防和治理衬砌裂缝提供理论参考。 本文以欢喜岭隧道右幅为例,结合欢喜岭隧道的环向裂缝病害现状,分析了寒区公路隧道二次衬砌裂缝的影响因素,得到裂缝性质与机理。通过对欢喜岭隧道衬砌裂缝的观测、统计和分析,发现环向裂缝有如下特点:大部分环向裂缝是贯通的;裂缝分布并不均匀,进口裂缝明显多于出口裂缝;裂缝是随时间发展的,绝大部分贯通裂缝是由非贯通裂缝发展而来;裂缝是随温度变化的,在冬季裂缝较宽,在夏季大部分裂缝闭合,少数显露裂缝比较窄。 寒区公路隧道二次衬砌环向裂缝主要是张拉裂缝,二次衬砌受到轴向拉力作用产生或其他作用导致的变位,在外部边界条件的约束下,致使二次衬砌混凝土的抗拉强度小于其上的拉应力作用,然后就在二次衬砌上产生垂直与拉应力的裂面。由于混泥土材料的性质和施工等因素的影响,使衬砌混泥土具有不均质性,在内部存在裂隙或空隙,在这些部位存在应力集中,裂缝最先从这些部位形成发展,所以裂面在环向还呈现不规则的特点。 通过对二次衬砌拉力的分析,得到拉力主要成因是混泥土的干缩和温度应力。文中对这两种力的计算做了细致的分析,通过不同的方法计算出二衬中的温度力,同时把混泥土的干缩效应转化为温度效应,把拉力统一按温度效应考虑。 为了准确计算欢喜岭隧道衬砌内由温度产生的作用力的大小,对欢喜岭隧道内部温度分布进行了观测记录,通过对数据的统计分析,得到隧道内部温度随隧道长度变化和随时间变化的特点:隧道温度在洞口变化比较剧烈,在中部相对稳定;隧道内部温度在夏季相对比较稳定,内部空气湿度比较大,在冬季变化幅度则比较大;隧道温度变化并不呈对称分布,进口端的温度变化要比出口端的范围大。 本轮采用理论建模分析和有限元模拟分析两种方法分别对欢喜岭隧道。在理论建模方面,对衬砌模型进行简化,建立起衬砌在温差应力作用下的力的平衡微分方程,解微分方程得到衬砌内的应力大小,进而得到二衬内的力、变形和位移。通过对混凝土的分析,得到如下结论:衬砌设计模段太长,不能满足二衬混凝土在温度作用下伸缩变形要求;素混凝土的抗拉强度太低,不能满足寒区隧道衬砌抗拉性能的需求。 采用ansys对隧道衬砌进行有限元建模,根据边界条件的不同,并和理论分析结果进行对比,共建立了三个模型,分别是无边界约束的变形分析,在防水板摩擦作用下的变形分析和考虑防水板及端部限制的变形分析。通过有限元数值模拟,基本上肯定了理论分析的结果。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U451.4

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