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深季节冻土区强风化围岩隧道水-热耦合分析

吴传赛  
【摘要】:我国是冻土大国,一半以上的国土属于对工程有影响的冻土区,随着我国经济的快速发展,交通网络开始向东北、西北等偏远冻土地区扩展,但这些地区的地形多为山脉、丘陵,修建隧道是解决交通问题的关键。我国在冻土区已修建和在建很多隧道,但因为环境恶劣,很多隧道出现严重的冻害问题。隧道产生冻害的主要原因是在寒冷地区隧道围岩会出现冻融循环,导致隧道结构产生破坏,发生渗水,渗水成冰反过来加重冻害,因此对于隧道冻害的防治,考虑围岩水-热耦合作用,得到围岩温度场和水分场的分布规律是冻害防治的关键。本文依托深季节冻土区兴安岭隧道,对洞口段强风化围岩土进行基本物理性质试验和单向冻结试验,得到兴安岭隧道强风化围岩土基本性质和冻结特性,建立水-热耦合模型并验证模型正确性,最后建立隧道二维模型,对隧道围岩的温度场和水分场的耦合效应进行数值计算,为深季节冻土区隧道冻害防治提供参考,本文主要研究内容及结果如下:首先,对兴安岭隧道强风化围岩土进行基本物性试验,得到围岩颗粒密度、颗粒级配、界限含水率、最大干密度、渗透系数、导热系数和热容等基本物性参数,进行单向冻结试验得到了兴安岭隧道强风化围岩土的冻结规律。试验结果表明:兴安岭强风化围岩土级配良好,粘粒含量较大,温度和补水条件对冻结有显著影响,温度梯度越大,冻结越快。其次,基于能量和质量守恒定律,从微分角度推导出温度场和渗水分场偏微分方程。基于Harlan模型计算框架,建立饱和冻土水-热耦合模型对饱和一维土柱冻结过程进行模拟,并和试验结果进行对比,验证模型的正确性。模拟分析了相变和补水条件对水-热耦合的影响,计算结果表明:水相变成冰产生的热量会抑制冷能的传递,导致土体温度变化较慢,因此开放系统下温度变化速率小于封闭系统,但当系统平衡后,由于温度梯度一样,温度分布一样,开放系统下由于和外界有质交换,最终总含水量大于初始状态。最后,根据水-热耦合理论,建立二维隧道数值模型,实现考虑相变的隧道温度场和水分场的完全耦合,分析渗透性对温度场和水分场耦合效应的影响,计算得到兴安岭隧道冻结圈厚度变化规律,考虑渗流影响温度要高于不考虑水分场的情况,渗透系数越大影响越大的结论,为工程设计提供了参考。


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