軟土盾構(gòu)法隧道縱向應(yīng)力松弛的發(fā)生機理及其效應(yīng)中文摘要

實踐表明，盾構(gòu)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(yīng)力及接觸狀態(tài)密切相關(guān)。課題圍繞隧道縱向環(huán)間應(yīng)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(shù)值模擬和理論解析相結(jié)合的研究方法，分析隧道襯砌環(huán)縫幾何構(gòu)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(yīng)力松弛的相互影響過程及相互關(guān)系，推導(dǎo)襯砌環(huán)面接觸應(yīng)力、縱向螺栓應(yīng)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(chǔ)上構(gòu)建襯砌環(huán)整體松弛模型；推導(dǎo)、求解基于應(yīng)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(shù)值方法定量分析應(yīng)力松弛導(dǎo)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(jié)構(gòu)本體從形成到穩(wěn)定的演化過程與力學(xué)機制，從本質(zhì)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(gòu)造設(shè)計、盾構(gòu)掘進與襯砌拼裝控制等均有重要的理論指導(dǎo)意義和實用價值。

盾構(gòu)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(yīng)力密切相關(guān)。圍繞盾構(gòu)隧道縱向應(yīng)力松弛的發(fā)生機理及其效應(yīng)展開研究。首先通過現(xiàn)場試驗揭示了縱向應(yīng)力松弛的階段性及其演變規(guī)律，然后研究了縱向應(yīng)力松弛的發(fā)生機理。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了盾構(gòu)隧道縱向應(yīng)力松弛的理論計算模型。最后進一步推導(dǎo)了基于應(yīng)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(jié)論如下： （1）分塊管片拼裝后的實測內(nèi)力經(jīng)歷了平穩(wěn)變化、波動或急劇跳躍后逐漸逼近理論值；盾構(gòu)隧道縱向應(yīng)力在管片拼裝后將經(jīng)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(jié)構(gòu)頂部的縱向應(yīng)力松弛最為明顯、腰部次之、底部最小，應(yīng)力松弛度最大可達80%。 （2）盾構(gòu)隧道縱向應(yīng)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(yīng)力可能出現(xiàn)短期內(nèi)增大趨勢；持續(xù)衰減階段是縱向應(yīng)力調(diào)整的關(guān)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(dǎo)致縱向應(yīng)力可能由相對穩(wěn)定階段轉(zhuǎn)入加速衰減階段，最終造成隧道失穩(wěn)破壞。 （3）盾構(gòu)隧道縱向應(yīng)力松弛受隧道接縫幾何接觸條件變化、隧道結(jié)構(gòu)本體材料應(yīng)力松弛和外部環(huán)境變化的多重影響。考慮隧道縱向應(yīng)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(yīng)力的全過程連續(xù)監(jiān)測，并結(jié)合數(shù)值模擬分析，揭示了盾構(gòu)隧道縱向應(yīng)力松弛的發(fā)生機理。 （2）考慮盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性及其與地基接觸關(guān)系的時變特性，推導(dǎo)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(gòu)隧道縱向應(yīng)力松弛的力學(xué)本質(zhì)及其規(guī)律。 （3）建立了盾構(gòu)隧道在縱向應(yīng)力松弛條件下的接縫滲流量及抗剪承載的計算模型，并據(jù)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

以往對氣管軟骨力學(xué)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(yīng)力松弛粘彈性力學(xué)特性研究較少。生物材料的粘彈性主要以應(yīng)力松弛蠕變?yōu)楸憩F(xiàn)形式，應(yīng)力松弛是軟組織在恒應(yīng)變作用下，對載荷松弛適應(yīng)性的反應(yīng)，雖然機制尚不清楚，但氣管軟骨的應(yīng)力松弛力學(xué)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(xiàn)代呼吸道(氣道)外科手術(shù)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(fù)和重建氣管的功能。當(dāng)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(yīng)力松弛實驗，得出了氣管軟骨7200s應(yīng)力松弛量，得出了應(yīng)力松弛曲線和歸一化應(yīng)力松弛函數(shù)曲線。以一元線性回歸分析的方法處理實驗數(shù)據(jù)，得出了應(yīng)力松弛函數(shù)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(jù)，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(xiàn)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(yīng)力松弛試驗是材料機械性能試驗的一種。應(yīng)力松弛現(xiàn)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(shè)計中必須加以重視。

應(yīng)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(gòu)卸掉部分載荷以保持總變形量不變，測定應(yīng)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(yīng)力降低的數(shù)值并畫出松弛曲線。

以壓力和時間t為坐標的應(yīng)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(nèi)，應(yīng)力隨時間的增長而急劇降低；在第Ⅱ階段內(nèi)，降低的速度減慢，最后趨于穩(wěn)定。半對數(shù)坐標 (lgσ-t)的應(yīng)力松弛曲線中，第Ⅱ階段呈線性關(guān)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(yīng)力。

受相同的試驗溫度和初應(yīng)力F，經(jīng)相同的時間后，如剩余應(yīng)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(yīng)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(yīng)變保持不變。在高溫保證總應(yīng)變不變的情況下，會發(fā)生應(yīng)力隨著時間延長逐漸降低的現(xiàn)象．該現(xiàn)象叫應(yīng)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(yīng)力松弛現(xiàn)象。

材料的總應(yīng)變ε包括彈性應(yīng)變ε_e和塑性應(yīng)變ε_p，即ε=ε_e ε_p=常數(shù)。

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

蠕變與應(yīng)力松弛在本質(zhì)上相同，可以把應(yīng)力松弛看作是應(yīng)力不斷降低的“多級”蠕變。蠕變抗力高的材料，其抵抗應(yīng)力松弛的能力也高。但是，目前使用蠕變數(shù)據(jù)來估算應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)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(yīng)力松弛現(xiàn)象，在高溫下這種現(xiàn)象更加明顯。松弛現(xiàn)象在工業(yè)設(shè)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(yīng)力松弛而發(fā)生泄漏事故。