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。

低温冻融条件下岩体温度-渗流-应力-损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明:该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明:极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。