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高海拔严寒地区隧道温度场分布规律及衬砌冻胀力数值模拟研究

白国权  
【摘要】:随着西部大开发这一重要国策的实施,交通基础设施建设迅速发展,公路隧道大量出现并已逐渐向各种复杂和恶劣的地区延伸,其中对于高海拔严寒地区的隧道,冻害问题是亟待解决的一大难题。 论文结合西部交通建设科技项目“高海拔地区复杂地质条件下公路隧道设计与施工技术研究”,主要通过有限元数值模拟,并结合现场观测和理论分析,针对高海拔严寒地区隧道围岩条件,通过建立合理的模型,重点开展裂隙围岩和破碎围岩条件下对温度场的变化、冻胀压力的大小及分布规律的研究,为高海拔严寒地区隧道的支护原则和结构设计提供理论依据。 冻胀力主要是由于衬砌周围的一定厚度岩体中的水结冰体积膨胀造成的。通过有限元公式推导可知,冻胀力随岩体孔隙率的增加而增大,随水变成冰的体积膨胀系数的增加而增大,随岩体本身的刚度(弹性模量)的增大而增大。隧道衬砌真正受到的力是冻胀力与衬砌原来受力的叠加。 裂隙岩体围岩中的水冻结膨胀产生的冻胀力部分直接作用于隧道衬砌上,部分通过围岩间接传递到隧道衬砌上。均质破碎围岩本身是一种多相的混合介质体,由冰体冻结直接产生冻胀力的效应较弱,而主要是在一定范围内的围岩整体的冻胀作用产生的冻胀力作用在衬砌上。有限元数值模拟计算是采用热一结构两场耦合瞬态计算的方法对围岩温度场分布变化规律以及对应的冻胀力发展变化情况进行分析,结果表明温度场分布和冻胀力大小不仅与隧道埋深、洞周冻结范围有关,同时在裂隙岩体中还与裂隙宽度、间隔、分布角度等有关,在均质破碎岩体中还与围岩的冻胀率等因素有关。寒区岩质隧道和土质隧道在冻胀力作用下围岩塑性破坏呈现出不同的规律。隧道衬砌结构受力在冻胀力作用下变化是明显的,应针对其变化规律采用不同的结构设防措施。进一步通过对不同结构面倾角于冻胀力大小及其分布规律的影响研究,引入了裂隙岩体的冻胀力矢量分析方法,建立了基本公式。 高海拔严寒地区隧道冻害的防治需从多方面着手,为防止冻融作用对隧道结构的不利影响,结构设计和围岩改善等措施需要综合考虑。冻胀力是在冻结圈为一定范围时才变化显著的,通过计算确定该范围,在该范围内设计注浆隔水圈,既隔水也隔热,不失为一种值得提倡的方法。 对于高寒地区隧道的研究还有许多需要深入的方面。


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