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 *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 文摘 第1章 绪论 1.1 目的及意义 黄土是在暖湿、冷湿、干旱气候的反复波动和逐渐交替过渡环境中，沿袭不同古地貌，上覆于不同地层岩性，经受同期或非同期多次不同程度地质作用改造而形成的一套不同时代、不同成因，具有独特物质组成、物理、力学特征和地貌景观的第四系大陆松散堆积物[1，2]。 黄土分布广泛，全球各大洲均有分布，总面积约1300万km2，占陆地面积的9.3%。我国黄土分布面积约64万km2，占国土面积的6.3%。其中，湿陷性黄土在我国的分布面积约占到全世界的3／4。黄土具有显著的多孔性且垂直节理发育，结构性明显，竖向透水性较强，同时，粉末性的颗粒组成决定了黄土具有湿陷性，遇水后固结能力减弱，强度下降明显，常常会引起强烈的沉陷和变形[3，4]。 我国黄土公路隧道工程建设开始较晚，根据资料记载，**座黄土公路隧道为修筑在陕西北部黄土高原上的黑山寺隧道，单车道、青砖衬砌，1958年试验性修建，1965年建成，早期黄土分布区修筑的公路隧道数量少且要求较低，存在的技术问题并不十分突出，随着国家基础设施建设力度的进一步加大、西部大开发的不断深入以及路网的逐渐完善，隧道工程建设快速进入经济欠发达的西部省区，穿越黄土地区的隧道也越来越多，近年来先后在甘肃、陕西、山西、河南等省修建了大量黄土隧道，部分公路隧道概况见表1.1[5]。 由于黄土结构与物理力学性状的独特性，新的问题不断暴露，已建公路隧道出现不同程度的病害，个别隧道甚至在使用的开始几年就存在严重的安全隐患，如衬砌开裂、隧道渗漏水、变形侵限、掉块、坍塌、下沉、底鼓等。一般情况下，多种病害会同时存在，并且它们之间相互作用、相互影响。一旦衬砌裂缝未能处治妥当，就会造成结构的渗漏水，这种情况不但不易治理，而且会给隧道的正常运营造成影响，甚至还会造成隧道中照明、通风和消防设施的锈蚀及损坏。除此之外，路面积水也恶化了车辆的行驶环境，降低了车辆的行驶速度。这些病害不仅增加隧道的运营成本，而且严重影响隧道作为快捷便利通道功能的发挥[6~8]。黄土围岩含水量对高速公路隧道稳定性影响显著，针对不同含水量，黄土隧道需采用不同的支护、加固措施[9]（表1.2）。 表1.1 近年来部分典型黄土公路隧道概况 注：表中数据为调查资料，与实际情况可能有出入。 表1.2 高速公路隧道黄土围岩含水量与支护关系 近几年，农业灌溉、降水入渗、地下水位变化等围岩条件恶化导致的隧道病害屡见不鲜，其中衬砌开裂现象*为普遍[10]。在降水较多地区和地表农业灌溉区内，大量隧道衬砌在拱顶、拱腰和边墙均存在横向、纵向或斜向分布的裂缝，拱顶正中部位裂缝多为纵向，部分衬砌裂缝存在渗水、白色晶体析出现象。衬砌开裂不仅影响隧道的美观和耐久性，而且破坏衬砌结构完整性，缩短使用寿命，增加运营成本，严重情况下会造成衬砌的整体崩塌，导致巨大的经济损失和不良社会影响[11~13]。因此，需要研究黄土隧道在运营阶段的受力、变形、劣化发展的机理，并坚持“预防为主，防治结合”的理念，从而保证隧道结构的安全性和耐久性要求。 本书针对围岩浸水恶化条件下黄土隧道结构劣化这一研究内容，考虑黄土结构性与水敏性特征，引入黄土结构性参数，编译考虑黄土结构性的本构关系，明确黄土围岩浸水的时空演变，制定并进行相应的衬砌模型试验；探讨黄土围岩浸水的时空演变关系，研究黄土围岩浸水恶化后隧道变形及衬砌结构性能演化特征，给出黄土围岩浸水恶化下隧道衬砌裂缝发生发展过程及分布特征，得到衬砌结构劣化机理；建立黄土围岩浸水恶化下隧道衬砌结构健康评价体系，并开发出适用于渗漏水条件下的隧道衬砌新型修补材料，这些均对围岩恶化条件下在役黄土隧道衬砌结构劣化研究、长期安全性以及隧道修补加固具有重要的理论价值和实际指导意义。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 黄土本构关系及其在衬砌结构研究中的应用 弹性模型是材料本构关系中*简单的一种。*常见的弹性模型有在Konder双曲线基础上的以弹性模量与泊松比为变形参数的邓肯-张(Duncan-Chang)模型及以K、G为变形参数的Domaschuk-Valliappan模型、Battelino-Majes模型和Naylor模型。邓肯-张模型因参数少、物理意义明确且可以利用常规三轴剪切试验确定而成为国内外广泛采用的岩土模型，但该模型的缺点是没有反映土体中主应力、剪胀性、应力路径和土体的各向异性。为了克服邓肯-张模型的这些缺点，沈珠江[14，15]用体应变氏和剪切应变氏表示成球应力和剪应力的形式，从而反映了土体的剪胀性。以上为双参数弹性模型，其*大的缺点是无法考虑剪胀性。为此，沈珠江建议用三参数剪胀模型。还有考虑更多因素的四、五、七和九参数的模型等。 刘祖典[16]先后提出黄土湿陷变形以及原状黄土、饱和黄土、挤密黄土、击实黄土、高围压下黄土的应力-应变关系曲线。分析了原状黄土（Q2、Q3）随沉积年代及侧压力的不同而表现出的不同类型和形式，基本呈三种类型，即软化型、硬化型和理想塑性型，分别得到黄土的非线性弹性模型和弹塑性模型的本构方程，并应用在黄土边坡稳定性分析及考虑上部结构与地基共同作用的饱和黄土地基变形-强度分析中。 陈正汉等[17]在考虑吸力的基础上进行了两种三轴试验：一是控制净平均应力等于常数的三轴收缩试验；二是控制室压力、孔隙气压力和基质吸力为常数的三轴排水剪切试验，提出包括土的变形和水量变化的非饱和土的增量非线性模型。该模型考虑了土骨架变形和水体积变形，是饱和土的邓肯-张模型的合理推广，当吸力为0时退化为邓肯-张模型；可预测不排水三轴试验中的吸力变化，该模型共有13个参数，其中，11个参数与土的变形和强度有关，另外2个参数与水量变化有关，适用于重塑非饱和黄土。 谢定义等[18]依据土力学研究的方法，首次将土结构的颗粒排列特征和联结特征两个方面结合起来，提出了判断土结构性强弱的标准，建议了一个简明、可靠、实用且能全面反映土结构性的几何特征和力学特征的土结构性参数，同时揭示了它与土变形和强度特征具有密切而规律性的联系。 夏旺民[19，20]通过常规三轴试验揭示了Q1黄土的应力-应变软化和剪胀特性。对软化型应力-应变曲线提出用驼峰曲线模拟，对体变曲线也提出用能反映剪胀特性的驼峰曲线模拟，建立了Q1黄土的非线性弹性K、G模型，揭示了势线的硬化部分和软化部分具有相同的椭圆曲线形式，采用椭圆来表示塑性势函数，采用待定塑性功函数为硬化参数建立了Q1黄土的软化型弹塑性本构模型。而后又通过在对原状黄土和其不同干容重的重塑黄土进行大量常规试验的基础上，分析黄土的变形、强度和结构性，根据损伤力学理论，提出一个能够综合反映黄土增湿和加载作用下的弹塑性损伤本构模型，并对黄土工程问题进行模拟分析。 王朝阳[21]针对非饱和黄土通过三轴试验和无损CT扫描技术，对黄土的细观结构、孔隙等变化进行观测，定义了非饱和黄土的损伤变量，将CT机得到的CT数据与宏观的力学现象联系起来，建立了非饱和黄土的非线性损伤本构方程。 李如梦[22]首先基于谢定义和邵生俊等提出的对土的结构性的研究方法，对兰州地区原状黄土、重塑黄土、饱和黄土进行了压缩、固结、三轴剪切试验，分析和总结了结构性参数的变化规律。在上述工作的基础上，提出一个新的反映土的结构性损失的指标m。基于沈珠江的把变形中的土体看成原状土和重塑土两种材料的混合物，并且用双弹簧模型描述两者分担应力的思路，在土的本构模型中引入土的结构性损失参数，提出一种考虑结构性影响的弹塑性本构模型。 骆亚生[23]从土的强度和变形受结构性控制的规律是相同的这一结论出发，提出和定义了基于强度考虑的土结构性定量化参数，即强度型结构性参数，弥补和发展了变形型结构性参数。通过结构性参数对非饱和黄土静、动应力-应变关系曲线的归一化作用效果分析，揭示了它与土变形和强度特性密切而规律性的关系，提出非饱和黄土在静、动力作用的复杂应力条件下结构性的本构关系。 周飞飞[24]在饱和正常固结土的非线性弹性本构模型基础上引入黄土结构性损伤演化规律，通过不同含水量和固结围压时常规三轴剪切试验结果的分析，建立考虑非饱和黄土结构性的增湿本构模型，他的研究特点是考虑了增湿和加荷引起的结构损伤演化规律，强调结构性对本构关系的影响，同时将结构性土体的硬化型和软化型应力-应变关系曲线视为变形统一过程，原因是原生结构损伤和次生结构生成的过程，所谓硬化和软化只是两者在不同状态下（如固结围压σ3c和含水量ω不同）表现出的相对程度不同。 张腾[25]在已有结构性参数成果的基础上，采用常规三轴剪切仪和应力控制三轴仪，应力控制三轴仪在试验过程中可改变轴向应力和侧向应力的大小，使黄土在复杂应力条件下的结构性研究更好的实现，更能全面反映土体结构特征的变化规律，使黄土的结构性研究更加全面、完善，*终建立结构性黄土的应变软化和应变硬化的弹塑性本构模型。 冯志焱[26]考虑了目前能够定量反映土结构性的结构性参数（如综合结构势），仅在偏压的剪切应力状态下，故对其进行改进、完善，使综合结构势的思想扩展应用于对土初始物理状态下结构性的描述和等向应力条件下土结构性的描述，并将它们与已有的偏压剪切应力状态下的结构性参数的研究成果相结合，来跟踪描述土结构性从初始状态到不同受荷状态下变化的全过程，*终将土结构性参数变化规律引入原状黄土的应力-应变关系中，在静力和动力条件下建立非饱和原状黄土的本构模型。 钟祖良[27]在伊柳辛假设的前提下在应变空间内根据Q2原状黄土的试验结果，对弹塑性变形分离，作出流线图和势线图，并假定塑性流动符合相关联流动法则，选用塑性功函数为硬化、软化函数，建立了应变空间的Q2原状黄土弹塑性本构模型。 邓国华[28]在真三轴条件下对黄土的结构性参数进行研究，在弹塑性剑桥模型的基础上，对屈服面进行修正，从塑性功出发得到随结构性移动和变化的临界状态线和屈服面，假设服从相关联流动法则推导得到修正的剑桥模型。 1.2.2 隧道衬砌试验设备研发 关于隧道衬砌结构试验设备研制和物理模型试验，国内外学者已开展了相关研究：张强勇等[29]研制出一种岩土地质力学模型试验系统，如图1.1所示，该系统可对岩石相似材料包裹的隧道模型施加非线性荷载，从而研究隧道及围岩相应的应力与变形情况。 Chen等[30]利用荷载分散梁在围岩上部施加均布荷载，如图1.2所示，通过小比例模型试验研究了在极限荷载作用下砖砌隧道的真实力学性能变化。 Seki等[31]利用了一种立方体三维加载装置，如图1.3所示，全方位约束围岩变形并对隧道下部围岩施加荷载，研究确定了用于评估不同加载工况下导致不同程度路面拱起病害的主要因素。 图1.1 岩土地质力学模型试验系统 1.盒式台架装置；2.液压加载控制试验台；3.变荷加载板；4.微型千斤顶；5.高压油管 图1.2 地层加载设备 图1.3 立方体三维加载装置 鲁亮等[32]、曹文宏等[33]研制了1∶1地铁圆形衬砌加载平台，如图1.4所示，衬砌周边布设24个集中力加载点，模拟地层抗力、水土压力和地面超载等荷载，该平台可用来研究不同加载效应下隧道管片的横向大变形及承载力问题。Zhao等[34]利用该平台进行全尺寸模型试验并与数值方法结合，对环氧树脂黏结钢板加固的盾构衬砌提出一种简化的非线性数值模拟方法。 Nakamura等[35]研发了一种异性衬砌加载装置，如图1.5所示，基坑壁提供有效反力与支撑，用以研究异性衬砌在不同受力情况下的衬砌变形与受力情况。西南交通大学研制了可模拟水荷载的密闭非均匀水压加载装置，如图1.6所示，通过对衬砌模型预先施加一定环箍力来模拟水荷载。何川[36~38]利用该平台研究了