公路隧道富水段衬砌损伤影响因素敏感性研究

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随着我国交通运输需求的快速增长,近几年我国的隧道工程得到了快速的发展,但是也伴随着一系列的问题出现,很多隧道在投入运营后,隧道的支护结构会出现不同程度的损伤,如衬砌结构混凝土的裂损,渗漏水等现象,降低了隧道的使用寿命,严重的甚至影响正常运营。富水段的隧道衬砌结构不仅要承受围岩压力还要承受一定的外水压力,当排水系统发生堵塞时,会造成地下水位增高,引起衬砌受力条件的改变,加大衬砌的损伤程度。由于地下环境的复杂性,影响隧道衬砌结构损伤的因素往往较多,而以往对多因素综合影响衬砌损伤的研究较少。本文运用有限元分析软件ABAQUS,结合混凝土损伤塑性模型,计算分析了隧道排水管堵塞对衬砌结构的应力、变形以及损伤的影响规律;并从“劣化”和衬砌质量缺陷的角度出发,确定了本文研究的排水管堵塞程度、二次衬砌厚度、二次衬砌强度和围岩等级四个衬砌损伤影响因素,对衬砌拉伸损伤和压缩损伤影响因素进行敏感性计算分析,主要成果如下:(1)随着隧道排水管堵塞程度的发展,隧道结构位移趋势为:随着排水管堵塞程度的增大,衬砌结构左线向左上方位移,右线向右上方位移。隧址区地下水位变化较明显,两条隧道中间的部位并且在隧道结构附近抬升最大,最大抬升高度约为13m,当排水管堵塞程度较小时,地下水位最低的位置位于隧道衬砌结构附近,由于排水降压的作用,衬砌外水压力值要小于上下两侧的水压力值,随着堵塞的发展两侧排水管附近的衬砌外水压力变化较明显,最大达到150k Pa左右。(2)随着排水管堵塞程度的增大,其中拱脚附近最小主应力增长量较大,约为0.52MPa。最大主应力变化量较小。二次衬砌产生的损伤区主要位于拱脚处,随着排水管堵塞程度的发展,损伤区的大小和深度也随之增加;拱脚内侧主要产生压缩损伤,随堵塞的发展变化明显,拱脚外侧主要产生拉伸损伤,变化较小。(3)将基于正交试验设计的方法应用于衬砌损伤影响因素敏感性分析,分别对衬砌拉伸损伤和压缩损伤影响因素进行敏感性分析,共设置四种水位条件,即四组正交试验模拟。通过计算分析得出以下结论:(1)在20m水位条件下,衬砌拉伸损伤影响因素敏感性大小排序依次为围岩等级、二次衬砌强度、二次衬砌厚度、排水管堵塞程度。30m及更高水位条件下排序依次为围岩等级、二次衬砌厚度、二次衬砌强度、排水管堵塞程度;其中,排水管堵塞程度、二次衬砌强度和围岩等级与衬砌拉伸损伤呈正相关性,二次衬砌厚度衬砌拉伸损伤呈负相关性。从因子所占比重来看,围岩等级占主导地位。(2)在20m水位条件下,衬砌压缩损伤影响因素敏感性大小排序依次为二次衬砌强度、围岩等级、二次衬砌厚度、排水管堵塞程度。30m及更高水位条件下排序依次为二次衬砌强度、二次衬砌厚度、围岩等级、排水管堵塞程度。其中,排水管堵塞程度和围岩等级与衬砌压缩损伤呈正相关性,二次衬砌强度和二次衬砌厚度与衬砌压缩损伤呈负相关性。30m水位之前二次强度占主导作用,之后由二次衬砌厚度和强度一起主导。(3)对每组水位下的因子敏感性进行综合分析得出了每个因子对衬砌损伤的敏感性受水位影响的变化规律,并进一步得出每个因子对衬砌损伤的敏感性所占比重受水位影响的变化规律。
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