海底盾构隧道钢-聚丙烯混杂纤维-钢筋混凝土管片结构高温阻裂机理与性能演化规律研究
批准号:
52078430
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
封坤
依托单位:
学科分类:
地下与隧道工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
封坤
中文摘要
海底盾构隧道是未来我国隧道工程的重要发展方向,对于助推海洋强国和交通强国建设具有不可替代的重要作用。然而,在海水长期高压、侵蚀作用和火灾等突发灾害的打击下,普通钢筋混凝土管片的耐久性、安全性面临严峻挑战。钢-聚丙烯混杂纤维-钢筋混凝土管片作为一种良好的主动防护手段,是目前解决该技术问题的重要方案,但是,其在海蚀、火灾高温作用后的性能劣化演化规律与特征仍有待探明。本项目拟从钢-聚丙烯混杂纤维-钢筋混凝土管片材料、构件、原型结构等多个层面开展系统试验与理论研究,探明其结构在海蚀作用下的损伤演化规律,揭示火灾高温时腐蚀管片的细观阻裂机理与宏观爆裂现象,探明高水压海蚀作用下管片结构火灾高温时(后)的灾变机制,提出结构劣化状态与安全性分级评价指标、探明不同修复方法的可靠性,并最终建立海底盾构隧道钢-聚丙烯混杂纤维-钢筋混凝土管片结构的安全性评价方法,以保障海底盾构隧道衬砌结构的耐久性与长期运营安全。
英文摘要
Subsea shield tunnel is an important development direction for the future tunnel engineering in China, which has an irreplaceable role in promoting the powerful support for building China’s strength in maritime power and transportation. However, the durability and fire resistance of reinforced concrete segments are not enough to cope with the severe challenges under the impact of long-term high-pressure sea-water erosion and other sudden disasters especially for the high temperature of fire. The steel-polypropylene hybrid fiber reinforced concrete (SP-HFRC) segment is considered as a superior active protection and is an important solution to the current technical issue, however, its structural behavior deterioration law and characteristics after the effects of chloride erosion and high temperature during fire need to be investigated urgently. This research plans to conduct systematic tests and theoretically studies in multiple levels from the materials and components to prototype structures of SP-HFRC segments, to firstly study the structural damage evolution mechanism under marine environmental erosion, then to reveal the meso-scopic anti-cracking mechanism and macro explosive spalling characteristic of corroded SP-HFRC segments at high temperature in fire, and to unravel the damage mutation mechanism of corroded SP-HFRC segmental lining structure at (or after) high temperature under high water pressure and chloride erosion, then the evaluation indexes of structural deterioration status and safety classification will be put forward and the reliability of different repair methods will be proposed. Correspondingly, the safety evaluation method of the SP-HFRC segmental lining structure can be established for the subsea shield tunnels in order to ensure the durability and long-term operation safety of their lining structures.
本项研究结合海底盾构隧道特点,针对海底盾构隧道钢-聚丙烯混杂纤维-钢筋混凝土的劣化特征、海蚀作用下管片结构侵蚀特征与损伤演化规律、火灾高温时混凝土试块及管片结构劣化特征与性能变异机制、管片结构安全性评价方法等多方面开展研究。首先,通过电化学腐蚀试验和加载试验,探明了不同纤维掺量下混凝土试块的抗压强度、劈裂抗拉强度等物理力学参数,并开展了混凝土试块高温试验及微观测试,探明了钢-聚丙烯混杂纤维-钢筋混凝土常温下及高温后的损伤与破坏状态,揭示了不同高温条件对腐蚀混杂纤维混凝土孔隙结构的影响规律。在此基础上,开展了试件模型试验与数值计算,研究了SP-HFRC管片结构在不同荷载条件下高压海水的侵蚀作用特征,分析了盾构隧道管片构件的侵蚀作用机理,探明了不同钢筋锈蚀程度下SP-HFRC管片的受力与变形性能,揭示了高水压侵蚀作用下SP-HFRC管片的损伤演化规律、破坏过程、形态与特征。其次,从承载条件下SP-HFRC管片结构高温爆裂机理出发,开展了火灾高温时腐蚀SP-HFRC管片结构高温受力与变形性能的劣化过程研究,揭示了高水压作用下腐蚀SP-HFRC管片结构高温时的损伤变异机制及变形性能。最后,通过理论分析,提出了一种新的基于塑性铰的盾构隧道管片衬砌结构失效理论,建立了一种用于分析盾构隧道衬砌结构中可能形成的两类塑性铰的损伤评估方法。并基于提出的塑性铰损伤理论和足尺加载试验,对盾构隧道衬砌结构的破坏机理也进行了深入的探讨。研究成果直接应用于青岛胶州湾第二海底公路隧道、甬舟铁路金塘海底隧道等海底盾构隧道结构分析与管片设计中,并可为类似海底盾构隧道管片结构设计与安全评价提供重要参考。
复杂环境下盾构隧道低碳设计理论与超低碳结构体系研究
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批准号:52378418
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项目类别:面上项目
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资助金额:52万元
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批准年份:2023
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负责人:封坤
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依托单位:
海底盾构隧道钢-聚丙烯混杂纤维-钢筋混凝土管片结构高温阻裂机理与性能演化规律研究
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:58万元
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批准年份:2020
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负责人:封坤
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依托单位:
大埋深盾构隧道围岩压力作用机理与新型管片结构体系研究
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批准号:51878569
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2018
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负责人:封坤
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依托单位:
考虑海蚀作用的水下盾构法隧道地震破坏机理及抗减震措施研究
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批准号:51578462
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项目类别:面上项目
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资助金额:61.0万元
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批准年份:2015
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负责人:封坤
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依托单位:
海底水下盾构法隧道衬砌结构的性能衰退演化机理
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批准号:51208432
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2012
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负责人:封坤
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依托单位:
国内基金
海外基金