隧道喷膜防水衬砌力学特性研究

The spray-applied waterproofing membrane has been applied in more and more tunnels in recently years. Currently much more attention has been paid on the joint working capability of the tunnel linings combined with the spray-applied waterproofing membrane rather than the independent waterproofing performance. However, the advantage of this kind of lining structure has not been extensively used yet because of the lack of research on the mechanical principles. The fundamental mechanical principles and its analysis methods will be systematically studied through theory analysis, mechanical tests and numerical simulation approaches in this project. The proposed research work includes the mechanical performance of the spray-applied waterproofing membrane, mechanical characteristic of layer interface, mechanical behavior and the calculation method of the lining structure. The research work will illustrate the mechanical principles of the tunnel lining structure and establish the corresponding mechanical model, so that the analytical method for the working capacity of the lining structure and proper calculation method will be brought forward. The results will provide theoretical basis and guidance for the application of this kind of tunnel lining and spray-applied waterproofing membrane in tunnel engineering.

近年来随着隧道工程喷膜防水技术逐步得到推广和应用，目前对其防水性能的关注开始转向对防水层与衬砌结构协同工作能力的需求，但是由于该类型衬砌结构的力学机理法尚未得到深入的研究，这种隧道衬砌结构的力学特性还未得到充分的认识和利用。项目针对隧道喷膜防水衬砌结构的力学机理及分析方法展开系统研究，通过理论分析、试验测试、数值模拟的手段，对隧道衬砌结构的喷膜防水层材料力学特性、层间界面力学特性、喷膜防水衬砌结构的力学机理、相应计算方法展开研究。预期研究成果将探明隧道工程喷膜防水衬砌结构的力学机理，建立符合该类衬砌结构特点的计算模型，提出喷膜防水衬砌结构的承载能力分析方法，为喷膜防水衬砌结构及喷膜防水材料在隧道工程中的应用提供理论依据和指导。

近年来随着隧道工程喷膜防水技术逐步得到推广和应用，目前对其防水性能的关注开始转向对防水层与衬砌结构协同工作能力的需求，但是由于该类型衬砌（CSL）结构的力学机理法尚未得到深入的研究，这种隧道衬砌结构的力学特性还未得到充分的认识和利用，对其进一步在工程中产生经济效益存在理论和方法上的障碍。项目针对隧道喷膜防水衬砌结构的力学机理及分析方法展开系统研究，通过理论分析、试验测试、数值模拟的手段，对隧道衬砌结构的喷膜防水层材料力学特性、层间界面力学特性、喷膜防水衬砌结构的力学机理、相应计算方法展开研究。研究成果主要包括：采用液压胀破原理的多轴拉伸试验方法，对喷膜防水材料的力学性能进行了测试，可选用线性强化的弹塑性本构模型进行表征，并确定了其相关参数；依据摩尔-库伦本构模型和内聚力模型的理论和方法，采用剪切试验对CSL试块进行了测试，对其层间界面力学特性进行了分析，并用数值模拟的方法进行了验证，构建了适用的层间界面本构模型和确定了关键参数；采用CSL梁进行了压弯试验和数值模拟，分析了膜厚、黏结强度等关键参数对CSL构件协同受力程度的影响，并验证了层间界面的内聚力本构模型的有效性；结合隧道衬砌结构的计算分析，对比了荷载-结构法和地层-结构法的数值计算模型的结果，对隧道CSL结构进行了安全性评价和分析，提出了实用的CSL结构受力计算方法和关键参数。通过以上研究，充分揭示了CSL结构的协同工作机理，探明了CSL结构承载能力的主要影响因素与作用规律，为全面掌握CSL结构的力学特性提供了理论依据，为进一步深入研究该类结构的力学行为提供了新的视角和可行的路径。