火災(zāi)高溫下隧道周圍軟黏土力學(xué)行為與荷載分布研究

目前隧道襯砌防火側(cè)重于對(duì)結(jié)構(gòu)本身損傷與力學(xué)行為的研究，而忽視了火災(zāi)高溫引起襯砌外部水土壓力的變化帶來的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性問題。事實(shí)說明：火災(zāi)高溫下軟土隧道外側(cè)土體力學(xué)行為會(huì)發(fā)生顯著的變化。本研究以軟黏土地層隧道為對(duì)象，通過大量的火災(zāi)試驗(yàn)，結(jié)合理論分析及數(shù)值計(jì)算等手段，深入研究了火災(zāi)高溫下軟黏土熱傳導(dǎo)特性和溫度場(chǎng)變化規(guī)律，分析了火災(zāi)高溫對(duì)軟黏土力學(xué)特性的影響規(guī)律，成功揭示并描述了火災(zāi)高溫導(dǎo)致的隧道襯砌結(jié)構(gòu)外部水土壓力的變化機(jī)理及規(guī)律。最后，在對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)管片、接頭火災(zāi)高溫力學(xué)特性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，基于給出的火災(zāi)高溫下軟土隧道結(jié)構(gòu)-土體體系的力學(xué)行為及安全性的分析計(jì)算方法，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系的火災(zāi)安全性及各關(guān)鍵因素的影響規(guī)律進(jìn)行了深入研究。課題研發(fā)的試驗(yàn)裝置與設(shè)備對(duì)今后開展軟黏土火災(zāi)高溫力學(xué)性能試驗(yàn)具有較好的借鑒價(jià)值。同時(shí)，課題研究成果也為解決處于軟黏土環(huán)境下的大量地鐵及越江跨海隧道襯砌結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全問題提供了基礎(chǔ)。 2100433B

目前隧道襯砌防火側(cè)重于對(duì)結(jié)構(gòu)本身損傷與力學(xué)行為的研究，而忽視了火災(zāi)高溫引起襯砌外部水土壓力的變化帶來的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性問題。事實(shí)說明：火災(zāi)高溫下軟土隧道外側(cè)土體力學(xué)行為會(huì)發(fā)生顯著的變化。本研究擬針對(duì)軟黏土地層隧道，借助室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值計(jì)算等手段：首先，深入探討襯砌邊界約束條件的火災(zāi)高溫軟黏土熱傳導(dǎo)特性和溫度場(chǎng)變化規(guī)律、軟黏土力學(xué)特性以及襯砌所受水土壓力、彈性抗力的變化規(guī)律；其次，在上述研究成果的基礎(chǔ)上，建立火災(zāi)高溫作用下飽和區(qū)、非飽和區(qū)軟黏土力學(xué)特性的描述模型、綜合考慮火災(zāi)高溫影響區(qū)軟黏土力學(xué)特性變化及水汽化引起的附加荷載的隧道襯砌結(jié)構(gòu)水土壓力分布的理論與方法；最后，應(yīng)用荷載-結(jié)構(gòu)法，建立基于上述水土壓力分布理論及考慮土體彈性抗力變化的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全評(píng)價(jià)方法，為解決處于軟黏土環(huán)境下的大量地鐵及越江跨海隧道襯砌結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全問題提供相關(guān)計(jì)算理論與方法。

中文名稱

軟黏土

英文名稱

soft clay

定　　義

天然含水率大，呈軟塑到流塑狀態(tài)，具有壓縮性高，強(qiáng)度小等特征的黏質(zhì)土。

應(yīng)用學(xué)科

水利科技（一級(jí)學(xué)科），巖石力學(xué)、土力學(xué)、巖土工程（二級(jí)學(xué)科），土力學(xué)（水利）（三級(jí)學(xué)科）

隧道結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全性是其安全性能研究的重要課題，而襯砌材料混凝土高溫力學(xué)性能的建立是進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全分析的基礎(chǔ)。.本項(xiàng)目擬通過火災(zāi)高溫下隧道襯砌混凝土（自密實(shí)混凝土）的爆裂試驗(yàn)，探討隧道結(jié)構(gòu)混凝土的爆裂控制措施，并且結(jié)合混凝土微觀結(jié)構(gòu)的損傷演化過程，定量的評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)混凝土的高溫爆裂機(jī)率，建立混凝土的高溫爆裂模型；進(jìn)而基于通過混凝土高溫變形試驗(yàn)得到的瞬態(tài)應(yīng)變、短期高溫徐變、應(yīng)力產(chǎn)生的即時(shí)應(yīng)變等高溫應(yīng)變，以及損傷力學(xué)理論和混凝土微觀結(jié)構(gòu)的演化模型，構(gòu)建能夠考慮高溫下混凝土微觀結(jié)構(gòu)演變的熱-力-化學(xué)耦合效應(yīng)的多尺度變形模型；在此基礎(chǔ)上，通過理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證。.項(xiàng)目研究旨在更為精細(xì)的描述隧道襯砌混凝土高溫爆裂及力學(xué)性能的損傷規(guī)律，為探明隧道結(jié)構(gòu)高溫行為的演化特征和分析混凝土結(jié)構(gòu)的高溫性能提供依據(jù)和基礎(chǔ)。

針對(duì)隧道火災(zāi)升溫速率快，隧道內(nèi)環(huán)境濕度大等特點(diǎn)，借助高溫試驗(yàn)和理論分析等手段，分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的火災(zāi)高溫爆裂特點(diǎn)，深入探討了高溫爆裂的影響因素，結(jié)合混凝土微觀結(jié)構(gòu)的高溫?fù)p失演化過程，評(píng)價(jià)隧道襯砌混凝土的高溫爆裂程度，研究了爆裂中出現(xiàn)的重要參數(shù)，如爆裂速率、爆裂能量等，建立了適用于隧道襯砌混凝土的高溫爆裂機(jī)理。得到了高溫下隧道襯砌混凝土的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等變化規(guī)律，建立了適用于隧道高溫環(huán)境的計(jì)算模型。研究了高溫下隧道襯砌混凝土的變形規(guī)律，探討了其影響因素，給出了相應(yīng)的計(jì)算模型?；趽p傷力學(xué)和復(fù)合材料力學(xué)理論，建立了適用于隧道火災(zāi)場(chǎng)景的混凝土化學(xué)-熱-力損傷模型。項(xiàng)目成果為解決隧道襯砌混凝土火災(zāi)高溫性能及安全性問題提供了一定的理論基礎(chǔ)。