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盾构衬砌侵蚀环境全寿命性能及土木工程可靠度评价研究

时间:2018-08-30 19:12来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇土木工程论文,土木工程专业大体可分为道路与桥梁工程与建筑工程两个不同的方向,在职业生涯中,这两个方向的职位既有大体上的统一性,又有细节上的具体区别。
本文是一篇土木工程论文,土木工程专业大体可分为道路与桥梁工程与建筑工程两个不同的方向,在职业生涯中,这两个方向的职位既有大体上的统一性,又有细节上的具体区别。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景
盾构隧道以其掘进速度快、地面扰动小、受气候限制小等优势已广泛应用于城市轨道交通、城市公路交通、城市排污等领域。其中,在城市轨道交通领域,95%里程以上均涉及到了盾构形式的隧道。据国家权威数字统计,截至 2018 年 1 月,包括北京、上海、广州在内的 31 个城市和区域已建成总运营里程 3880.77 公里地铁线路,总投资超过1 万亿元,规模位居世界第一[1],如图 1.1 所示。在城市公路交通领域,盾构主要应用于越江隧道,如上海打浦路隧道、上海复兴东路隧道、武汉三阳路长江隧道等。而在城市排污领域,随着城市化进程的加快,传统的混凝土排污管道已不能满足一些大城市雨污水综合排放需求,目前已有多个大城市在加快完善城市排污系统,如广州、上海等目前正在规划并修建大管径的盾构排污管道。对于盾构隧道而言,其设计使用寿命为 100 年及以上。在实际服役过程中,衬砌周围土层的多变性、复杂性、围岩与结构间作用机理的不确定性均会给结构带来无法预知的风险,这使得衬砌结构的稳定性和工作性能不易把握,盾构衬砌结构的健康服役问题会随着使用年限的增加而日益暴露,如图 1.2、1.3 所示。尤其对于我国已经开始修建大管径的深层雨污水综合排放盾构管道,这就必须要特别考虑污水环境下混凝土盾构管片结构在设计服务年限内的耐久性及长期性能。
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1.2 国内外研究现状
钢筋混凝土结构的耐久性问题,可分为混凝土材料、混凝土构件及混凝土结构三个方面耐久性内容,其中前两个方面研究相对较深入,而对于盾构结构耐久性研究还不完善,但其重要性已被国内外广大学者所认同,正在成为研究的重点和热点[4]。发达国家对于混凝土结构耐久性的研究比中国早得多。上世纪六十年代以来,美国、德国等欧美发达国家,为提高燃料贮藏库、地下管线、停车场的耐久性而针对混凝土材料性能和结构构造措施方面进行了系列的研究[5]~[7],欧洲混凝土委员会于 1992 年编制并发行了《Durable Concrete Structures Design Guide》(混凝土耐久性设计指南)规范[8];英国近年来就地下水对地下结构的腐蚀机理也做了相关的研究工作[9];日本于上世纪末寻求建立地下混凝土结构的抗渗性耐久性评价模式,以及研究开发了专门针对码头、港口等的高性能混凝土[10];日本曾对混凝土 U 型沟及地下管线的透水性,通过建立的雨水渗流体系进行了长达 20 年观察[11]。Escalante E 通过试验,对土壤中埋置钢筋的腐蚀规律进行了研究[12];Bader MA 等通过试验,探明了阿拉伯海湾地区腐蚀性土壤的主要腐蚀因素为高含量的硫酸根离子和氯离子[13];Hausmannl AK 等通过试验,探明侵蚀环境下混凝土中钢筋锈蚀发展的时变特征问题,提出了氯盐侵蚀环境下的数学表征模型,并在工程实践中应用[14]。国内虽起步较晚,但也取得了较为丰硕的成果。金伟良等通过大量的工程实例和数据证实了钢混结构耐久性问题的重要性,对钢混结构耐久性研究的发展历程做了回顾,并对砼结构耐久性研究的主要内容做了系统地介绍,同时对钢筋混凝土结构耐久性研究今后的发展方向做了展望[15];易成等对混凝土抗渗性能的重要性进行了阐述,分析了其主要影响因素,并介绍了国内外针对这些影响因素的研究现状及已获得的主要结论,同时,探讨了混凝土抗渗性能研究的发展方向[16];潘洪科等从地下结构耐久性研究的重要性、国内外对其开展研究的现状和不足、地下结构与地面结构耐久性的异同、今后重点研究方向几个方面进行总结和探讨。尤其强调从结构与力学层次和多因素影响机制角度进行分析[17];刘金龙对近年来硫酸盐与氯盐、应力、碳化、干湿循环、冻融循环以及不同阳离子类型等环境单因素及多因素耦合作用下混凝土耐久性的研究成果进行了总结,并探讨了多因素耦合作用下混凝土抗硫酸盐耐久性的研究方向[18]。
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第 2 章 盾构衬砌结构腐蚀损伤计算模型的建立
 
隧道结构深埋地下,其服役往往处于复杂环境中。这就需要设计基准期为 100 年及以上的盾构衬砌结构,能够承受寿命期内来自腐蚀性介质、围岩压力等不利因素的考验。但是,目前的研究中,能够准确的评估多重不利因素下盾构衬砌全寿命期内的结构的力学及变形性能的模型仍较为欠缺。一个针对盾构衬砌结构的腐蚀损伤的计算模型,可以为盾构隧道全寿命结构耐久性设计及维护提供科学依据和理论指导。本章将针对盾构衬砌主要的腐蚀因素进行详细的总结研究,并在此基础上,提出盾构衬砌腐蚀损伤计算的关键参数及其全寿命衰减模式。同时,将详细介绍现有的盾构结构计算理论及相关计算荷载确定方法,并基于有限元方法,借助梁-接头单元、土弹簧单元、接头非线性模型,建立隧道衬砌全寿命结构性能退化理论计算模型。
 
2.1 盾构衬砌腐蚀机理
衬砌结构退化机理会随其服役腐蚀环境的差异性差别较大。比如,当隧道处于腐蚀性土壤中时,需考虑衬砌环外的腐蚀性离子对管片结构的侵蚀作用;对于盾构形式的公路隧道,需考虑衬砌环内 CO2、SO2等具有腐蚀性汽车尾气的腐蚀作用;而对于盾构形式的排污管道,则需考虑隧道内污水中含有的腐蚀性离子等的腐蚀作用。盾构衬砌结构的侵蚀机理主要可体现为以下两个方面:接头作为管片拼接的主要连接构件,主要承受轴线拉力、压力和弯矩作用。接头的形式多样,有弯曲形和直线形,并且其材质主要以高强度金属材质为主。盾构隧道接头的耐久性设计也是整个结构耐久性设计的重要组成部分,管片接头防腐也是整个结构防腐中最为薄弱点。现有的接头防腐措施主要有在接头连接缝中添满吸水膨胀橡胶密封垫和非膨胀性弹性密封垫,这种材料在条件恶劣,高水压情况下表现出很好的防水效果,在欧洲,其已成为盾构防水材料的主要途径,在我国盾构法隧道中也是最为常用的防水形式。
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2.2 盾构衬砌结构计算理论
通常,将竖直方向的土压力考虑为作用在衬砌顶部的均布荷载。其值依据隧道外径、土层条件、覆土厚度等来确定。当覆土较厚,且具有一定强度时,采用太沙基松弛土压力公式来计算衬砌顶部的垂直土压力,其余情况下的衬砌顶部垂直土压力均取上覆土重。衬砌环上作用的水压力受盾构隧道的施工影响较大,同原地层的水压力差别往往比较大,且地下水位本身容易受到人为或自然的干扰,不是一个固定不变的值,这使得水压力的计算变得非常的困难。因此,计算过程中,对地下水位合理的取值,对于水压力的确定非常重要。
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第 3 章 盾构衬砌结构腐蚀损伤可靠度评价....... 27
3.1 可靠度的基本概念...........27
3.2 可靠度分析的常用方法...........31
3.3 基于响应面法的可靠度计算............40
3.4 本章小结........41
第 4 章 模型的实现与应用开发..........43
4.1 MATLAB GUI.........43
4.2 软件设计过程.........46
4.3 软件的主要模块及其界面.......49
4.4 本章小结........54
第 5 章 工程实例分析........55
5.1 工程背景........55
5.2 损伤参数设置.........58
5.2.1 污水腐蚀机制........58
5.2.2 各区域参数退化规律....59
5.3 计算分析........61
5.4 本章小结........67
 
第 5 章 工程实例分析
 
5.1 工程背景
5.1.1 工程概况
广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段位于广州市越秀区,北起孖鱼岗涌,南至沿江路江湾大酒店东侧的东濠涌补水泵站。工程隧道埋深约 40m,地层参数见表 5.1,考虑隧道下穿地铁 1 号线、6 号线和密集居民区,结合现今盾构施工技术水平,综合各方面因素,采用土压平衡盾构施工。参照广州地铁成熟施工做法,管片技术参数取值见表5.2。广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程场区属南亚热带季风气候,全年降水丰沛,雨季明显,日照充足,夏季炎热,冬季一般较温暖。在季风环流控制下,冬半年(9月至翌年 3 月)受大陆冷高压影响,吹偏北风,天气相对干燥,降水较少;夏半年(4月至 8 月)受海洋性气流的影响,吹偏南风,天气炎热,降水量大。根据广州市区1951~1993 年的气候资料,勘察区年平均气温 21.9°C,极端最高气温 38.7°C,极端最低气温 0.0 °C;年平均降水量 1696.5mm,历年最大降水量 2864.7mm,最大月平均降水量288.7mm,最大日降水量 284.9mm;年平均风速 1.9m/s。
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结论
 
本文通过对侵蚀环境下盾构全寿命期结构性能及可靠度评价的研究,得到以下结论:
(1)通过对盾构衬砌的常见腐蚀因素及其腐蚀机理进行大量调研,依据腐蚀因素的腐蚀机理的差异性,提出了盾构衬砌腐蚀损伤计算的关键参数及其全寿命衰减模式,为衬砌全寿命结构性能及可靠度评价模型的提出提供了重要的理论依据。并基于有限元方法,建立了一种可以考虑腐蚀机理差异性、土层的约束作用、接头刚度时效性、多时空多工况的衬砌结构性能退化理论计算模型。
(2)基于响应面法建立的侵蚀环境下隧道衬砌结构全寿命期可靠度评价模型,可根据隧道服役过程中实际的腐蚀类型及其作用位置指定损伤区域,能够分析计算实际工程中复杂的多重腐蚀因素耦合下的盾构衬砌结构可靠度,具有较高的实用价值。基于位移形式的响应面法使得衬砌结构极其复杂的真实功能函数在验算点附近以一个适当、较为简单明确的响应面方程近似代替,且位移形式的响应面函数可间接反映衬砌结构整体的服役状况。该方法为隐式非线性功能函数的盾构衬砌结构可靠度分析提供了一种有效的方法。
(3)将所建立的衬砌全寿命结构性能退化理论计算模型和可靠度分析模型,通过MATLAB GUI 编制并开发了“盾构衬砌侵蚀环境全寿命性能及可靠度评价软件 V1.0”,该软件包括四个模块:模型生成、参数设置、内力及变形计算及可靠度评价。通过该软件,广大隧道工程科研工作者和设计人员可简便快捷地进行衬砌结构性能及可靠度评价。
(4)针对广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程,通过室内加速试验,拟合得到该工况下关键参数的退化规律,使用“盾构衬砌侵蚀环境全寿命性能及可靠度评价软件 V1.0”对该衬砌结构 100 年设计使用年限内的内力、变形及可靠度进行分析,结果表明:寿命期内,衬砌结构的轴力、弯矩和剪力的特征点历时分布图的整体形状基本保持一致,且结构整体的内力值和变形量不断增大;服役过程中结构的可靠度逐渐降低,失效概率不断增大,结构的安全性也越来越低,这是主要是因为盾构材料后期腐蚀损伤比较严重,结构的内力、变形、及可靠度的变化速率也一直在增大。衬砌结构的局部变形较大主要是因为接头弱化了衬砌结构整体的刚度。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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