火灾高温下饱和软黏土热-水-汽-力多场耦合特性及对隧道结构安全的影响

Based on laboratory experiments, theoretical analysis and numerical simulation, the study on the thermo-hydro-vapo-mechanical multi-field coupling characteristics of saturated soft soil around the tunnel under high temperature induced by fire will be carried out. This study fully considers the designated thermal boundary conditions in tunnel fire (soil temperature over 100?C, a high heat loading rate, an extraordinary temperature gradient), hydraulic boundary conditions (the transition from the saturated state to the unsaturated state, concrete lining obstruction, moisture vaporization and accumulation) and mechanical boundary conditions(structure constraint and high ground pressure). Firstly, the mechanism of thermo-hydro-vapo-mechanical multi-field coupling, mechanical properties of soft soil under complex multi-field coupling conditions and the mechanism of vapor fracture will be deeply explored. Then the mechanical model and the numerical simulation method will be established to describe the mechanism of thermo-hydro-vapo-mechanical multi-field coupling, the thermal elastoplastic constitutive relationship and phenomena of vapor fracture. With this support, the evaluation method for the mechanical behavior and structural safety of soft soil tunnel structure-stratum system in fire will be quantitatively established based on the multi-field coupling effect. The study will also offer corresponding calculation theory and method to solve massive fire safety issues of lining structures of subway tunnels or undersea tunnels in saturated soft soil.

本研究在全面考虑隧道火灾特定热（土体温度高于100?C，热荷载速率大，温度梯度显著）、水（饱和向非饱和状态转化、衬砌阻隔边界、水分汽化及积聚）、力（衬砌结构位移约束、高水土压力）边界条件下，拟借助室内试验、理论分析及数值计算等手段，开展火灾高温下隧道周围饱和软黏土热-水-汽-力多场耦合特性研究。首先，深入掌握饱和软黏土热-水-汽-力多场耦合机制、复杂多场耦合条件下软黏土的力学特性及水汽劈裂机理，进而建立描述火灾高温作用下软黏土热-水-汽-力多场耦合、热弹塑性本构与水汽劈裂现象的力学模型与数值计算方法，并以此为基础，建立定量化的基于多场耦合效应的软土隧道结构-地层体系火灾高温力学行为及安全评价方法，为解决处于饱和软黏土环境下的大量地铁及越江跨海隧道衬砌结构的火灾安全问题提供相关计算理论与方法。

本研究在全面考虑隧道火灾特定热（土体温度高于 100˚C，热荷载速率大，温度梯度显著）、水（饱和向非饱和状态转化、衬砌阻隔边界、水分汽化及积聚）、力（衬砌结构位移约束、高水土压力）边界条件下，借助室内试验、理论分析及数值计算等手段，开展火灾高温下隧道周围饱和软黏土热-水-汽-力多场耦合特性研究。针对火灾高温引起的土体温度变化情况，自行研制了用于测试土体高温后物理力学性能变化的温控试验设备，并以此设备为基础对火灾高温环境下土的物理力学性能展开研究，深入掌握饱和软黏土热-水-汽-力多场耦合机制、复杂多场耦合条件下软黏土的力学特性，为软土地基隧道等地下结构工程火灾防护的设计和施工及灾后评价提供理论支持和参考；基于温度引起的“热胀冷缩”自然规律，提出了一个由温度引起的等价应力概念，将其导入到新提出的本构模型中，并进一步将其扩展为非饱和/饱和土热弹塑性本构模型；通过观察和分析试验现象、试验数据，确定了外部土体中水、水蒸汽的运移方式，发现了衬砌外土体中存在类似水力劈裂的现象，并分析了这种现象的成因及发展规律，建立了描述火灾高温作用下软黏土热-水-汽-力多场耦合、热弹塑性本构与水汽劈裂现象的力学模型；通过数值计算方法研究了地层弹性约束下对应于火灾不同升温曲线时的盾构隧道衬砌结构温度特征及力学行为，包括衬砌结构体系的温度场、变形以及内力分布的规律，深入探究了埋深、爆裂、错缝拼接以及管片分布变化等因素对该复合结构体系的影响，建立了基于多场耦合效应的量化的软土隧道结构-地层体系火灾高温力学行为及安全评价方法，为解决处于饱和软黏土环境下的大量地铁及越江跨海隧道衬砌结构的火灾安全问题提供了相关计算理论与方法。