黄土公路隧道结构性能劣化机理与评价处治技术

目录

前言

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.2.1 黄土本构关系及其在衬砌结构研究中的应用 3

1.2.2 隧道衬砌试验设备研发 5

1.2.3 黄土隧道围岩恶化对衬砌结构的影响研究 8

1.2.4 隧道衬砌结构裂缝研究 9

1.2.5 健康评价体系研究 11

1.2.6 隧道裂缝修补方法及材料研究 12

1.2.7 地聚合物胶凝材料及性能研究 15

1.3 本书主要内容 18

第2章 结构性邓肯-张本构模型及其二次开发 20

2.1 概述 20

2.2 黄土的结构性参数及公式拟合 20

2.2.1 三轴剪切条件下黄土结构性参数msε 20

2.2.2 三轴剪切条件下黄土结构性参数msε的公式拟合 22

2.2.3 三轴剪切条件下黄土结构性参数msε计算软件设计 27

2.3 静荷作用下非饱和黄土的结构性邓肯-张本构模型 29

2.3.1 结构性邓肯-张本构模型的推导 30

2.3.2 黄土结构性邓肯-张本构模型的二次开发 32

2.3.3 ANSYS中黄土结构性邓肯-张本构模型的验证 40

2.4 小结 42

第3章 围岩浸水恶化后黄土隧道衬砌受力数值计算 43

3.1 概述 43

3.2 黄土隧道围岩浸水及衬砌结构劣化的客观存在 43

3.3 黄土裂缝浸水扩散范围 45

3.4 建立有限元模型 46

3.4.1 本构关系与单元选择 47

3.4.2 边界条件和模型参数 47

3.4.3 计算工况的确定 48

3.5 二次衬砌表面接触压力结果分析 50

3.5.1 两侧拱脚围岩浸水 50

3.5.2 两侧拱腰围岩浸水 52

3.5.3 一侧（右侧）拱脚围岩浸水 55

3.5.4 一侧（右侧）拱腰围岩浸水 56

3.5.5 一侧（右侧）拱脚围岩与另一侧（左侧）拱腰围岩浸水 58

3.6 小结 59

第4章 隧道衬砌结构力学性能测试平台的研发与试验设计 61

4.1 概述 61

4.2 隧道衬砌力学性能测试平台的设计 61

4.2.1 驱动系统 62

4.2.2 加载系统 63

4.2.3 控制系统 64

4.3 试验测试平台安全性验算 66

4.4 测试平台的操作流程 71

4.5 试验测试平台可靠性验证 73

4.6 黄土围岩浸水恶化下隧道衬砌模型试验设计 75

4.6.1 相似理论及量纲分析 75

4.6.2 试验相似条件及相似常数 78

4.6.3 衬砌相似材料试验 80

4.7 模型衬砌制作 84

4.8 试验测试内容及元件布设 89

4.8.1 量测内容与目的 89

4.8.2 测试元件布设 89

4.9 加载工况 90

4.9.1 开始加载至未浸水阶段加载 90

4.9.2 不同浸水工况下加载 91

4.9.3 浸水5m至模型失稳阶段加载 94

4.10 小结 95

第5章 黄土围岩浸水恶化下衬砌结构力学性能演化特征 96

5.1 概述 96

5.2 不同浸水工况下衬砌应变分布规律 96

5.2.1 未浸水阶段 97

5.2.2 不同浸水工况 98

5.3 围岩浸水过程中衬砌内力变化及分布 108

5.3.1 衬砌轴力变化及分布 108

5.3.2 衬砌弯矩变化及分布 118

5.3.3 内力变化及分布 128

5.4 小结 129

第6章 黄土围岩浸水恶化下衬砌结构性能劣化机理 132

6.1 概述 132

6.2 衬砌变形和裂缝发展规律 132

6.2.1 两侧拱脚围岩浸水 132

6.2.2 两侧拱腰围岩浸水 135

6.2.3 一侧（右侧）拱脚围岩浸水 138

6.2.4 一侧（右侧）拱腰围岩浸水 141

6.2.5 一侧（右侧）拱脚围岩与另一侧（左侧）拱腰围岩浸水 144

6.3 围岩浸水条件下衬砌裂缝分布特征 147

6.3.1 横断面裂缝类型分布规律 147

6.3.2 裂缝形态分布规律 149

6.3.3 开裂部位分布规律 150

6.3.4 纵向贯穿长度分布规律 150

6.3.5 开裂深度分布规律 152

6.3.6 贯通类型分布规律 154

6.3.7 内外侧分布规律 155

6.3.8 压板相对位置分布规律 156

6.4 衬砌结构能量变化分析 158

6.4.1 衬砌开裂对整体结构卸能范围分析 158

6.4.2 衬砌开裂对局部结构卸能范围分析 161

6.5 带裂缝衬砌可承担荷载比 167

6.6 围岩浸水衬砌劣化后衬砌重点加固位置及加固目标 169

6.6.1 裂缝分布特征判断围岩浸水类型 169

6.6.2 围岩浸水恶化下衬砌劣化后衬砌重点加固位置及加固目标 169

6.7 小结 171

第7章 围岩浸水恶化下黄土公路隧道结构健康综合评价体系 174

7.1 概述 174

7.2 评价体系构建总体思路 174

7.3 评价等级的确定 175

7.4 安全隶属度函数构建 176

7.4.1 现行分级评定标准缺陷 176

7.4.2 安全等级隶属度 176

7.4.3 建立安全等级隶属函数 177

7.5 评价体系各构建要素分级 178

7.5.1 裂缝（内因）分级 178

7.5.2 围岩（外因）分级 186

7.5.3 耦合程度分级 186

7.5.4 耦合关系分级及调整标准 188

7.6 综合评价体系评定原则及评价流程 189

7.6.1 综合评价体系评定原则 189

7.6.2 隧道评定区段评定单元划分 191

7.6.3 各评定单元健康等级评定 191

7.6.4 隧道衬砌结构整体健康等级评定 192

7.6.5 评价流程 192

7.7 衬砌结构健康综合评价体系可靠性验证 193

7.7.1 检验工况选取 193

7.7.2 检验工况评价过程演示及评定结果 193

7.7.3 其余检验工况评定结果 195

7.7.4 检验工况评定结果分析 200

7.8 小结 201

第8章 隧道结构裂缝修补材料的配合比及性能研究 203

8.1 概述 203

8.2 试验原材料 203

8.3 地聚合物胶凝材料的配合比 204

8.3.1 地聚合物胶凝材料的影响因素 204

8.3.2 配合比对抗折强度的影响 205

8.3.3 配合比对抗压强度的影响 210

8.3.4 配合比对黏结强度的影响 213

8.3.5 最佳配合比的确定 216

8.4 地聚合物胶凝材料的性能试验 217

8.4.1 地聚合物胶凝材料的抗压强度试验 217

8.4.2 地聚合物胶凝材料的抗折强度试验 219

8.4.3 地聚合物胶凝材料的凝结时间试验 220

8.4.4 地聚合物胶凝材料的X射线衍射试验 222

8.4.5 地聚合物胶凝材料的SEM试验 223

8.5 小结 224

第9章 试验平台研制与试验设计 226

9.1 概述 226

9.2 隧道衬砌裂缝诊治平台简介 226

9.3 平台应力公式的推导 230

9.3.1 力学公式 230

9.3.2 力学计算 231

9.4 试件的制作和修补材料的调配 232

9.4.1 混凝土试件的制作 232

9.4.2 修补材料的调配 233

9.5 平台应用 234

9.6 小结 235

第10章 隧道衬砌裂缝修补模型试验及工艺流程 237

10.1 概述 237

10.2 无张拉应力状态下裂缝修补试验及结果分析 237

10.3 张拉应力状态下裂缝修补试验及结果分析 240

10.4 带水状态下裂缝修补试验及结果分析 242

10.4.1 带水状态下裂缝修补试验 242

10.4.2 地聚合物防水性能试验 245

10.5 地聚合物胶凝材料修补工艺流程 246

10.5.1 无渗漏水隧道裂缝的修补工艺 247

10.5.2 渗漏水隧道裂缝的修补工艺 248

10.6 小结 248

参考文献 250 2100433B

本书针对在役黄土公路隧道结构病害问题，在总结已有黄土公路隧道相关研究成果的基础上，详细研究黄土围岩浸水恶化后隧道衬砌结构性能演化特征和劣化机理，并选取适用于围岩浸水恶化情况下黄土隧道衬砌结构的相关评价指标，建立相应的隧道健康评级体系。同时，选取适用于隧道衬砌结构裂缝修补的地聚合物胶凝材料的最佳配合比，并研究地聚合物胶凝材料在两种状态下的黏结性能和修补效果，论证了地聚合物胶凝材料作为衬砌裂缝修补材料的可行性。

通过大量对不同组成体系的溶液化学、电化学和物相分析试验，确定水泥材料与硫酸盐介质作用后，有害化合物形成反应机理和条件，结合水泥混凝土和砂浆试件经受硫酸盐介质侵蚀后，其微观结构观测、物相分析和物理力学性能的测试，揭示混凝土的硫酸盐侵蚀机理与劣化的相关性。为今后提高混凝土耐硫酸盐性能和混凝土使用寿命设计方法的研发、现场混凝土结构物的侵蚀破坏程度的评价方法和维护技术的开发，以及混凝土材料耐硫酸盐性能的有效试验方法的建立等提供理论和实验依据。这对我国国民经济建设和社会发展具有非常重要的意义。

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