公路隧道健康诊断计算模型研究

【摘要】： 隧道健康诊断研究作为隧道工程中新兴的研究方向，是分析和评估病害对隧道健康状态的影响程度并采取合理有效的养护和维修措施的前提和基础。本文将隧道病害的影响分为对隧道使用性能和承载功能两个方面，鉴于衬砌结构承载性能是隧道使用性能的前提和基础，本文重点研究带病害衬砌结构计算模型，并在此基础上分析病害对结构承载特征、承载能力及结构安全性能的影响。 结合目前隧道病害检测技术、病害分类与分级方法、病害成因分析等相关研究现状，本文提出了隧道病害研究的一般性思路。并结合隧道病害力学模型和健康诊断技术的要求，提出了基于隧道计算模型和健康诊断的病害分类和参数量化方法，然后结合荷载-结构法提出了隧道裂缝、厚度不足、材料劣化、背后空洞、附加荷载等病害力学模型，编制了计算程序，以山王庙隧道为工程实例进行了结构结构分析和安全性评价。并在计算模型的基础上进行了病害参数灵敏性分析。隧道病害不仅与衬砌结构自身的力学性态有关，也和施工方法以及围岩衬砌的相互作用模式有紧密联系。本文建立了考虑施工效应的地层-结构法病害计算模型，并建立了包含衬砌背后空洞、衬砌厚度不足等病害的计算模型及衬砌材料劣化的等效简化方法。在此基础上深入分析了衬砌背后空洞、衬砌厚度不足等病害参数对结构安全性的影响规律，并结合计算结果分析了基于荷载-结构法和地层结构法健康诊断计算模型的优缺点。 衬砌裂缝是最常见的隧道病害，是衬砌结构破坏或失稳坍塌的重要原因，鉴于传统结构计算方法无法分析带裂缝的结构安全性，本文展开了带裂缝结构安全性判定方法的研究。首先针对混凝土和岩石等脆性材料的Ⅱ型断裂模式和机理提出了三种裂纹尖端破坏模式，结合宏观强度理论对三种破坏模式对Ⅱ型裂纹进行了深入分析与比较，并得出裂纹尖端破坏只能是环向拉伸破坏，不能发生剪切型破坏或Mohr-Column摩擦型破坏的结论；然后结合现有的断裂判据，提出了带裂缝结构安全性判定方法，建立了带裂缝隧道结构模型和带裂缝衬砌结构安全性验算方法，并分析了裂缝位置、裂缝面摩擦系数、裂缝深度、裂纹角度等参数对带裂缝结构安全系数的影响。