本书针对在役黄土公路隧道结构病害问题,以黄土结构性与水敏性为切入点,引入黄土结构性参数与黄土结构性本构关系,运用有限元二次开发、物理模型试验等手段,结合自主研制的"隧道衬砌结构力学性能测试平台",研究了黄土围岩浸水恶化后隧道衬砌结构性能演化特征和劣化机理;然后引入隶属度和隶属函数,构建了安全等级隶属函数,改进了隧道健康等级评价中常用的分级评定方法,利用模糊综合评价法以及短板效应理论,建立了隧道健康评级体系;很后利用自主研制的"隧道衬砌裂缝诊治平台",选出隧道衬砌结构裂缝修补的地聚合物胶凝材料的很好配合比,模拟了隧道衬砌裂缝的张拉应力开裂状态和带水状开裂状态,论证了地聚合物胶凝材料作为衬砌裂缝修补材料的可行性。
前言
第1章 绪论 1
1.1 目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 黄土本构关系及其在衬砌结构研究中的应用 3
1.2.2 隧道衬砌试验设备研发 5
1.2.3 黄土隧道围岩恶化对衬砌结构的影响研究 8
1.2.4 隧道衬砌结构裂缝研究 9
1.2.5 健康评价体系研究 11
1.2.6 隧道裂缝修补方法及材料研究 12
1.2.7 地聚合物胶凝材料及性能研究 15
1.3 本书主要内容 18
第2章 结构性邓肯-张本构模型及其二次开发 20
2.1 概述 20
2.2 黄土的结构性参数及公式拟合 20
2.2.1 三轴剪切条件下黄土结构性参数msε 20
2.2.2 三轴剪切条件下黄土结构性参数msε的公式拟合 22
2.2.3 三轴剪切条件下黄土结构性参数msε计算软件设计 27
2.3 静荷作用下非饱和黄土的结构性邓肯-张本构模型 29
2.3.1 结构性邓肯-张本构模型的推导 30
2.3.2 黄土结构性邓肯-张本构模型的二次开发 32
2.3.3 ANSYS中黄土结构性邓肯-张本构模型的验证 40
2.4 小结 42
第3章 围岩浸水恶化后黄土隧道衬砌受力数值计算 43
3.1 概述 43
3.2 黄土隧道围岩浸水及衬砌结构劣化的客观存在 43
3.3 黄土裂缝浸水扩散范围 45
3.4 建立有限元模型 46
3.4.1 本构关系与单元选择 47
3.4.2 边界条件和模型参数 47
3.4.3 计算工况的确定 48
3.5 二次衬砌表面接触压力结果分析 50
3.5.1 两侧拱脚围岩浸水 50
3.5.2 两侧拱腰围岩浸水 52
3.5.3 一侧(右侧)拱脚围岩浸水 55
3.5.4 一侧(右侧)拱腰围岩浸水 56
3.5.5 一侧(右侧)拱脚围岩与另一侧(左侧)拱腰围岩浸水 58
3.6 小结 59
第4章 隧道衬砌结构力学性能测试平台的研发与试验设计 61
4.1 概述 61
4.2 隧道衬砌力学性能测试平台的设计 61
4.2.1 驱动系统 62
4.2.2 加载系统 63
4.2.3 控制系统 64
4.3 试验测试平台安全性验算 66
4.4 测试平台的操作流程 71
4.5 试验测试平台可靠性验证 73
4.6 黄土围岩浸水恶化下隧道衬砌模型试验设计 75
4.6.1 相似理论及量纲分析 75
4.6.2 试验相似条件及相似常数 78
4.6.3 衬砌相似材料试验 80
4.7 模型衬砌制作 84
4.8 试验测试内容及元件布设 89
4.8.1 量测内容与目的 89
4.8.2 测试元件布设 89
4.9 加载工况 90
4.9.1 开始加载至未浸水阶段加载 90
4.9.2 不同浸水工况下加载 91
4.9.3 浸水5m至模型失稳阶段加载 94
4.10 小结 95
第5章 黄土围岩浸水恶化下衬砌结构力学性能演化特征 96
5.1 概述 96
5.2 不同浸水工况下衬砌应变分布规律 96
5.2.1 未浸水阶段 97
5.2.2 不同浸水工况 98
5.3 围岩浸水过程中衬砌内力变化及分布 108
5.3.1 衬砌轴力变化及分布 108
5.3.2 衬砌弯矩变化及分布 118
5.3.3 内力变化及分布 128
5.4 小结 129
第6章 黄土围岩浸水恶化下衬砌结构性能劣化机理 132
6.1 概述 132
6.2 衬砌变形和裂缝发展规律 132
6.2.1 两侧拱脚围岩浸水 132
6.2.2 两侧拱腰围岩浸水 135
6.2.3 一侧(右侧)