功能梯度深埋地铁隧道衬砌结构变形特性

深部高应力环境将对地铁衬砌结构的变形和防水提出更高的要求.在已有的地铁衬砌结构设计理论基础上,将功能梯度材料引入到深埋地铁衬砌结构设计中,建立了功能梯度衬砌结构内力和变形的求解模型.设置衬砌结构的弹性模量沿角度方向以幂函数形式变化,并且在模型基础上对函数参数进行分析.结果表明:功能梯度衬砌在弹性模量参数ab的条件下变形较小.表现在结构设计上为:在衬砌顶部和底部配置高弹性模量混凝土,在中部配置弹性模量相对较低的混凝土有利于减小结构变形;此外,随着指数n的增大,结构变形减小.表现在结构设计上为:结构的整体刚度提高有利于减小结构变形.通过计算,当n=1时,衬砌结构满足变形要求,因此可以在设计中使n=1以节省衬砌成本.最后,以上海土层参数为基础确定结构外部荷载,采用荷载结构法对埋深65 m条件下的功能梯度衬砌进行了内力和变形求解,并且与弹性模量为功能梯度结构弹性模量最大值的均质衬砌进行对比.对比发现弹性模量参数a=1, b=0.9, n=1的功能梯度结构最大变形比均质结构小10%左右,并且两者弯矩分布没有因此产生较大变化,差异最大处在4.8%以内.因此功能梯度衬砌具有安全性和经济性的双重优点.研究工作为进一步研究功能梯度地铁衬砌的力学特性提供了一定的参考价值.