火災高溫下隧道周圍軟黏土力學行為與荷載分布研究中文摘要

目前隧道襯砌防火側(cè)重于對結(jié)構(gòu)本身損傷與力學行為的研究，而忽視了火災高溫引起襯砌外部水土壓力的變化帶來的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性問題。事實說明：火災高溫下軟土隧道外側(cè)土體力學行為會發(fā)生顯著的變化。本研究擬針對軟黏土地層隧道，借助室內(nèi)試驗、理論分析及數(shù)值計算等手段：首先，深入探討襯砌邊界約束條件的火災高溫軟黏土熱傳導特性和溫度場變化規(guī)律、軟黏土力學特性以及襯砌所受水土壓力、彈性抗力的變化規(guī)律；其次，在上述研究成果的基礎(chǔ)上，建立火災高溫作用下飽和區(qū)、非飽和區(qū)軟黏土力學特性的描述模型、綜合考慮火災高溫影響區(qū)軟黏土力學特性變化及水汽化引起的附加荷載的隧道襯砌結(jié)構(gòu)水土壓力分布的理論與方法；最后，應用荷載-結(jié)構(gòu)法，建立基于上述水土壓力分布理論及考慮土體彈性抗力變化的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災安全評價方法，為解決處于軟黏土環(huán)境下的大量地鐵及越江跨海隧道襯砌結(jié)構(gòu)的火災安全問題提供相關(guān)計算理論與方法。

目前隧道襯砌防火側(cè)重于對結(jié)構(gòu)本身損傷與力學行為的研究，而忽視了火災高溫引起襯砌外部水土壓力的變化帶來的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性問題。事實說明：火災高溫下軟土隧道外側(cè)土體力學行為會發(fā)生顯著的變化。本研究以軟黏土地層隧道為對象，通過大量的火災試驗，結(jié)合理論分析及數(shù)值計算等手段，深入研究了火災高溫下軟黏土熱傳導特性和溫度場變化規(guī)律，分析了火災高溫對軟黏土力學特性的影響規(guī)律，成功揭示并描述了火災高溫導致的隧道襯砌結(jié)構(gòu)外部水土壓力的變化機理及規(guī)律。最后，在對隧道襯砌結(jié)構(gòu)管片、接頭火災高溫力學特性試驗研究的基礎(chǔ)上，基于給出的火災高溫下軟土隧道結(jié)構(gòu)-土體體系的力學行為及安全性的分析計算方法，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系的火災安全性及各關(guān)鍵因素的影響規(guī)律進行了深入研究。課題研發(fā)的試驗裝置與設(shè)備對今后開展軟黏土火災高溫力學性能試驗具有較好的借鑒價值。同時，課題研究成果也為解決處于軟黏土環(huán)境下的大量地鐵及越江跨海隧道襯砌結(jié)構(gòu)的火災安全問題提供了基礎(chǔ)。 2100433B

中文名稱

軟黏土

英文名稱

soft clay

定　　義

天然含水率大，呈軟塑到流塑狀態(tài)，具有壓縮性高，強度小等特征的黏質(zhì)土。

應用學科

水利科技（一級學科），巖石力學、土力學、巖土工程（二級學科），土力學（水利）（三級學科）

隧道結(jié)構(gòu)的火災安全性是其安全性能研究的重要課題，而襯砌材料混凝土高溫力學性能的建立是進行隧道結(jié)構(gòu)火災安全分析的基礎(chǔ)。.本項目擬通過火災高溫下隧道襯砌混凝土（自密實混凝土）的爆裂試驗，探討隧道結(jié)構(gòu)混凝土的爆裂控制措施，并且結(jié)合混凝土微觀結(jié)構(gòu)的損傷演化過程，定量的評價隧道結(jié)構(gòu)混凝土的高溫爆裂機率，建立混凝土的高溫爆裂模型；進而基于通過混凝土高溫變形試驗得到的瞬態(tài)應變、短期高溫徐變、應力產(chǎn)生的即時應變等高溫應變，以及損傷力學理論和混凝土微觀結(jié)構(gòu)的演化模型，構(gòu)建能夠考慮高溫下混凝土微觀結(jié)構(gòu)演變的熱-力-化學耦合效應的多尺度變形模型；在此基礎(chǔ)上，通過理論分析和數(shù)值模擬，對上述模型進行驗證。.項目研究旨在更為精細的描述隧道襯砌混凝土高溫爆裂及力學性能的損傷規(guī)律，為探明隧道結(jié)構(gòu)高溫行為的演化特征和分析混凝土結(jié)構(gòu)的高溫性能提供依據(jù)和基礎(chǔ)。

針對隧道火災升溫速率快，隧道內(nèi)環(huán)境濕度大等特點，借助高溫試驗和理論分析等手段，分析了隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土的火災高溫爆裂特點，深入探討了高溫爆裂的影響因素，結(jié)合混凝土微觀結(jié)構(gòu)的高溫損失演化過程，評價隧道襯砌混凝土的高溫爆裂程度，研究了爆裂中出現(xiàn)的重要參數(shù)，如爆裂速率、爆裂能量等，建立了適用于隧道襯砌混凝土的高溫爆裂機理。得到了高溫下隧道襯砌混凝土的抗壓強度、彈性模量、應力-應變曲線等變化規(guī)律，建立了適用于隧道高溫環(huán)境的計算模型。研究了高溫下隧道襯砌混凝土的變形規(guī)律，探討了其影響因素，給出了相應的計算模型?；趽p傷力學和復合材料力學理論，建立了適用于隧道火災場景的混凝土化學-熱-力損傷模型。項目成果為解決隧道襯砌混凝土火災高溫性能及安全性問題提供了一定的理論基礎(chǔ)。