高地温环境下隧道初期支护力学性能研究

以川藏铁路桑珠岭超高地温隧道为研究对象,采用现场实测和热-力耦合数值模拟手段,对超高地温环境下初期支护的力学特性展开研究。结果表明:隧道开挖后,初期支护混凝土应力在10 d内变化较快,18 d后基本稳定;初期支护轴力和弯矩随温度的升高而成增大趋势;随着围岩初始温度的升高,初期支护最大压应力、拉应力与无温度场时的比值逐渐增大,扩大倍数可表示为围岩初始温度的二次函数;当围岩初始温度大于50℃时,初期支护存在破坏趋势;随着围岩温度的升高,初期支护最大压应力的分布范围由边墙扩大到边墙和拱腰,最大拉应力由墙脚扩大到墙脚、拱肩和仰拱。研究结论对高地温隧道初期支护的施工有一定的指导价值。

高地温隧道荷载模式及二次衬砌安全特性研究

为解决高地温隧道衬砌结构受力特性不明晰问题,以川藏线桑珠岭超高地温隧道为工程依托,采用现场试验和热-力耦合数值计算手段,研究二次衬砌在高地温环境下的力学特性和安全特性,提出高地温隧道荷载设计方法。结果表明:高地温隧道二次衬砌施作后10 d内应力变化较大,20 d后趋于稳定;最大拉应力位于拱顶处,最大压应力出现在边墙处;高地温隧道荷载修正系数可表示为围岩初始温度的多项式关系;衬砌内外侧压应力均随围岩温度升高呈现出增大趋势,但各点增大速率存在一定的差异,拉应力值随温度呈波动增长;最小安全系数出现在拱顶,随围岩温度的升高而降低,当温度高于60℃时,存在被破坏的可能性;二次衬砌最大裂缝宽度位于拱顶处,随着温度升高,裂缝宽度增大。

混凝土养护期高温的后期强度及宏细观分析

研究对经历了养护早期高温混凝土的水化度与后期(10 d)强度开展室内试验,对比分析混凝土在养护温度20、40、60和80℃下养护7d后,继续标养至100d时的水化进程与抗压强度发展规律。同时,引入温度影响因子,分析了后期强度的宏细观作用机理,提出了温度影响因子的确定方法。研究发现:早期高温养护对混凝土后期的水化度影响较小但对强度影响较大;早期养护温度越高,后期强度损失越大。早期高温养护通过改变水化度、C-S-H密度和孔隙体积而影响后期强度。

高温变温环境下喷射混凝土–岩石界面剪切特性及温度损伤模型研究

高岩温隧道修建过程中,喷射混凝土结构实际上是在高温变温环境下水化成型并发挥支护作用。基于隧道内实测环境参数及初支混凝土温度数据,开展混凝土–岩石界面剪切力学特性试验。根据试验结果,探明隧道内初期支护混凝土的温变周期,对比分析试样剪切破坏模式、界面剪切强度、位移在不同变温条件下的发展特征。通过讨论剪切变形曲线特点,建立考虑温度损伤效应的岩石–混凝土界面剪切本构模型。结果表明:初支混凝土在5～7 d可降至洞内环境温度。随着初始养护温度的升高,剪切曲线峰前弹性增长,压密硬化及峰后弹性软化规律明显。剪切破坏模式主要为胶结面及混合剪切破坏2种。峰值剪切应力与养护温度呈负增长函数关系,峰值剪切位移与养护温度呈正增长函数关系,且法向应力水平的增加对于温度引起的力学特性损伤有一定的削弱作用。基于室内剪切力学特性试验成果,建立考虑温度损伤及法向应力修正的岩石–混凝土界面剪切本构模型。通过计算曲线与试验曲线的对比验证,表明两者拟合度较高,该本构模型可以适用于分析不同程度高温损伤下的混凝土–岩石界面剪切力学特性。研究结论可以为受高温影响的隧道及地下工程支护设计和分析提供一定理论支撑。