軟土盾構法隧道縱向應力松弛的發(fā)生機理及其效應

盾構隧道縱向長期承載及變形的非穩(wěn)定性與其襯砌環(huán)間的縱向應力密切相關。圍繞盾構隧道縱向應力松弛的發(fā)生機理及其效應展開研究。首先通過現場試驗揭示了縱向應力松弛的階段性及其演變規(guī)律，然后研究了縱向應力松弛的發(fā)生機理。在此基礎上，構建了盾構隧道縱向應力松弛的理論計算模型。最后進一步推導了基于應力松弛的隧道襯砌環(huán)縫抗剪及接縫滲漏的計算模型。 主要結論如下： （1）分塊管片拼裝后的實測內力經歷了平穩(wěn)變化、波動或急劇跳躍后逐漸逼近理論值；盾構隧道縱向應力在管片拼裝后將經歷周期性波動、持續(xù)衰減、相對穩(wěn)定、加速衰減四個階段的演變，期間，隧道結構頂部的縱向應力松弛最為明顯、腰部次之、底部最小，應力松弛度最大可達80%。 （2）盾構隧道縱向應力周期性波動階段持續(xù)時間相對較短，且在該階段受千斤頂推力較大等的影響，縱向應力可能出現短期內增大趨勢；持續(xù)衰減階段是縱向應力調整的關鍵階段，持續(xù)時間超過半年，若計入施工期發(fā)生的縱向沉降影響后，該階段的持續(xù)時間將進一步延長；后期發(fā)生的不均勻沉降導致縱向應力可能由相對穩(wěn)定階段轉入加速衰減階段，最終造成隧道失穩(wěn)破壞。 （3）盾構隧道縱向應力松弛受隧道接縫幾何接觸條件變化、隧道結構本體材料應力松弛和外部環(huán)境變化的多重影響?？紤]隧道縱向應力松弛和密封墊防水性能弱化的共同影響后，襯砌環(huán)間滲漏水更為嚴重。 主要創(chuàng)新性工作如下： （1）通過對隧道管片拼裝及運營階段縱橫向應力的全過程連續(xù)監(jiān)測，并結合數值模擬分析，揭示了盾構隧道縱向應力松弛的發(fā)生機理。 （2）考慮盾構隧道結構的非連續(xù)性及其與地基接觸關系的時變特性，推導建立了考慮地基水平剪切蠕變的粘彈性地基梁模型，從理論上分析闡明了盾構隧道縱向應力松弛的力學本質及其規(guī)律。 （3）建立了盾構隧道在縱向應力松弛條件下的接縫滲流量及抗剪承載的計算模型，并據此分析得到了接縫滲漏水和環(huán)間抗剪性能的時變規(guī)律。 2100433B

實踐表明，盾構隧道縱向長期承載及變形的非穩(wěn)定性與其襯砌環(huán)間應力及接觸狀態(tài)密切相關。課題圍繞隧道縱向環(huán)間應力松弛的發(fā)生機理這一核心問題展開研究，采用工程實測、模型實驗、數值模擬和理論解析相結合的研究方法，分析隧道襯砌環(huán)縫幾何構造及襯砌拼裝過程所致典型非連續(xù)幾何接觸狀態(tài)、及其與縱向應力松弛的相互影響過程及相互關系，推導襯砌環(huán)面接觸應力、縱向螺栓應力的松弛模型以及襯砌-土體接觸蠕變松弛模型等三種要素模型，在此基礎上構建襯砌環(huán)整體松弛模型；推導、求解基于應力松弛的環(huán)間臨界承載和變形狀態(tài)方程；采用基于上述模型和狀態(tài)方程的數值方法定量分析應力松弛導致的隧道襯砌環(huán)間幾何接觸狀態(tài)的變化規(guī)律及隧道縱向承載、變形特性，從而揭示隧道結構本體從形成到穩(wěn)定的演化過程與力學機制，從本質上解決隧道縱向穩(wěn)定的臨界與時變問題；課題的研究對于管片襯砌隧道環(huán)間構造設計、盾構掘進與襯砌拼裝控制等均有重要的理論指導意義和實用價值。

以往對氣管軟骨力學特性研究多以動物氣管軟骨和一維拉伸實驗居多，對人氣管軟骨應力松弛粘彈性力學特性研究較少。生物材料的粘彈性主要以應力松弛蠕變?yōu)楸憩F形式，應力松弛是軟組織在恒應變作用下，對載荷松弛適應性的反應，雖然機制尚不清楚，但氣管軟骨的應力松弛力學特性對于認識吻合口張力，確定氣管損傷后的張力臨界點具有重要意義。

氣管由于炎癥、腫瘤、損傷等疾患需要進行氣道再建，現代呼吸道(氣道)外科手術對氣管病變不超過1/2程度，可切除病變部位氣管后直接縫合吻接，修復和重建氣管的功能。當氣管切除超過其直接的吻合長度，則需要置換人工氣管。鑒于臨床實際需要，孫長江等對正常國人尸體氣管軟骨進行了應力松弛實驗，得出了氣管軟骨7200s應力松弛量，得出了應力松弛曲線和歸一化應力松弛函數曲線。以一元線性回歸分析的方法處理實驗數據，得出了應力松弛函數方程。研究以制備的顯影聚合物有機溶液作為栓塞材料進行體外模擬實驗，篩選最佳條件為下一步的動物試驗和臨床試驗提供了依據，篩選出的最佳條件為:聚合物濃度4%，推注速度為0.10ml/min，完全栓塞時及時停止推注。該工作也體現出本顯影聚合物可以達到栓塞的目的，可作為一種新的非粘附性液體栓塞材料使用 。2100433B

應力松弛試驗是材料機械性能試驗的一種。應力松弛現象在室溫下進行得很慢，但隨著溫度的升高就變得很顯著，故在機械設計中必須加以重視。

應力松弛試驗一般采用圓柱形試樣，在一定的溫度下進行拉伸加載，以后隨著時間的推移，由自動減載機構卸掉部分載荷以保持總變形量不變，測定應力隨時間的降低值，即可繪出松弛曲線。也可以采用具有等強度半圓環(huán)的環(huán)形試樣進行松弛試驗，測定環(huán)形試樣缺口處寬度的變化來計算應力降低的數值并畫出松弛曲線。

以壓力和時間t為坐標的應力松弛曲線可分為兩個部分，分別代表兩個不同的松弛階段。在第Ⅰ階段內，應力隨時間的增長而急劇降低；在第Ⅱ階段內，降低的速度減慢，最后趨于穩(wěn)定。半對數坐標 (lgσ-t)的應力松弛曲線中，第Ⅱ階段呈線性關系，因此可用以進行外推，即由較短時間的試驗外推求得較長時間后的剩余應力。

受相同的試驗溫度和初應力F，經相同的時間后，如剩余應力越高，則材料的抗松弛性能越好。高溫工作中的零件由于存在應力松弛，會不同程度地喪失彈性和緊固作用。因此對用于高溫的緊固件如彈簧、螺栓等的材料，需要測定松弛性能。

材料在高溫使用時，有時要使總應變保持不變。在高溫保證總應變不變的情況下，會發(fā)生應力隨著時間延長逐漸降低的現象．該現象叫應力松弛(stress relaxation)，如圖1所示。例如，高溫條件工作的緊固螺栓和彈簧會發(fā)生應力松弛現象。

材料的總應變ε包括彈性應變ε_e和塑性應變ε_p，即ε=ε_e ε_p=常數。

隨著時間增長，一部分彈性變形逐步轉變?yōu)樗苄宰冃?，材料受到的應力相應地逐漸降低。ε_e的減小與ε_p的增加是同時等量產生的。

蠕變與應力松弛在本質上相同，可以把應力松弛看作是應力不斷降低的“多級”蠕變。蠕變抗力高的材料，其抵抗應力松弛的能力也高。但是，目前使用蠕變數據來估算應力松弛數據還是很困難的。某些材料即使在室溫下也會發(fā)生非常緩慢的應力松弛現象，在高溫下這種現象更加明顯。松弛現象在工業(yè)設備的零件中是較為普遍存在的。例如，高溫管道接頭螺栓需定期擰緊，以免因應力松弛而發(fā)生泄漏事故。