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原文传递季节性寒区隧道围岩温度场与变形特性研究

论文题名：	季节性寒区隧道围岩温度场与变形特性研究
关键词：	季节性寒区;隧道工程;围岩稳定性;温度场;变形特性
摘要：	随着振兴东北老工业基地和西部大开发政策的实施,铁路和公路网正从东往西,从南向北发展,而这些地区都属于高纬度或高海拔地区,是季节性冻土区,在这些地方修建隧道将面临着冻害的威胁。本文以新疆玉希莫勒盖隧道为依托,采用现场监测、理论分析、数值模拟以及相似模拟试验等手段相结合,对季节性寒区隧道的温度场与变形进行了一系列的研究,对季节性寒区隧道的建设具有一定的指导意义。　　(1)通过在现场监测获得新疆天山玉希莫勒盖隧道的大气及围岩内的温度变化规律,并对大气的监测数据进行拟合分析,为之后的理论计算和数值模拟等相关分析提供基础数据;根据围岩中的温度监测结果可近似得到该隧道的冻结深度,为之后的围岩稳定性分析提供必要的参数,也可对温度场的数值模拟结果进行对比验证;此外通过对隧道不同断面的温度分析得到了现场需要铺设保温层的距离。　　(2)基于平面假设,并认为保温层起到良好的保温效果,建立了包括保温层、衬砌和围岩三层介质的寒区隧道温度场的数学模型;采用Laplace积分变换和DenIsger数值反演法对其求解;根据对现场温度监测结果的拟合,对玉希莫勒盖隧道的温度场进行了分析,得到了其相应的变化规律;结果显示现场铺设5cm保温层不足以防止冻害的发生,以衬砌外缘温度大于等于零为判别条件,经过试算确定了在不采取其他防护措施时玉希莫勒盖隧道不发生冻害至少需要19cm厚的保温层;对对流换热系数、年平均气温以及地层温度三个参数进行分析得到:对流换热系数对隧道温度场的影响较小,并分别得到不同的年平均气温或不同地层温度下玉希莫勒盖隧道所需要保温层的厚度。为该地区类似工程的建设提供一定的指导和理论依据。　　(3)采用 Geo-studio软件中 TEMP模块对玉希莫勒盖隧道在未铺设保温层和铺设5cm保温层两种情况下的温度场进行研究;当未铺设保温层时提取与现场相应位置的温度结果,发现两者规律基本一致,验证了所选参数的可靠性;当铺设5cm保温层时,发现虽然保温层能较好的阻止负温的传递,但是该厚度还不足以保证围岩不发生冻结,仍存在0.4m的冻结深度;通过对以上两种情况冻结锋面的移动情况进行整体拟合和分段拟合研究,整体拟合的相关系数虽然较高,但未能较好的包含冻结锋面的所有信息,现对不同材料分别进行线性拟合,得出以下结论:底板是冻结锋面发展最快的位置,拱肩次之,拱脚是发展最慢的位置;冻结锋面在衬砌中扩展的速度是围岩的8~10倍;冻结锋面在第二周期比第一周期扩展的范围要稍大一些。当铺设保温层后拱肩为冻结锋面发展最快、最远的位置,其次是底板。基于以上分析,将拱肩和底板都作为危险位置对玉希莫勒盖隧道所需保温层厚度进行分析,得到在不采取其他措施的情况下,需要铺设21cm厚的保温层方可保证隧道不发生冻害。　　(4)将冻胀应变看作为拉应变,并对已有冻结围岩本构方程中的不足进行修正,根据冻胀位移的方向认为存在冻结零位移点,并给出求解方法。基于修正后冻结围岩的本构方程首先求解了不等压条件下寒区隧道围岩应力场,分别分析了衬砌与围岩中在不同的侧压力系数和角度时应力场的规律。其次对静水压力场是围岩中可能出现的三种情况进行了分析,并对塑性半径小于冻结圈时进行了参数分析,从而更好地解释了各相关参数对围岩应力场和塑性区的发生的影响。最后,针对围岩中不发生塑性破坏这种最简单的情况建立冻结围岩融化的弹性模型,考虑冻结围岩融化后体积缩小的现象,得到了冻结融化后围岩应力场。根据以上分析对玉希莫勒盖隧道在冻结和融化时的围岩应力场和变形场的求解。　　(5)根据相似理论对季节性寒区隧道的温度场和冻胀力进行了相似模拟试验研究,整个试验装置包括模型主体、边界温度控制系统、大气温度模拟系统、温度控制系统和测试系统组成,分别进行了未铺设保温层和铺设5cm保温层两组试验,虽然试验结果温度的幅值偏低,但是仍然可以得出保温层能较好的阻止负温度传递,平均阻断率达86.5％,未铺设保温层时的冻结深度为2m,铺设保温层时的冻结深度缩小为0.5m。试验中衬砌壁后最大径向和环向冻胀力的平均值为0.29MPa和0.275MPa。通过底板最大的环向应变反算最大冻胀力为0.613MPa,其他三处反算的平均最大冻胀力为0.511MPa,该结果比压力盒的测试结果偏大,主要原因为压力盒厚度达1.1cm导致冻胀力测试结果偏小,另外应变反算的冻胀力是基于圆模型存在一定的偏差。　　(6)根据现场的温度监测结果,将其与数值模拟、模型试验和理论计算的结果进行对比分析,并分析其产生偏差的原因;另外,采用数值模拟和理论计算对铺设16cm保温层时衬砌外缘的温度曲线进行对比分析,得出最低温度的大小关系;最后对现场冻胀力和试验测试的冻胀力进行对比分析。
作者：	冯强
专业：	岩土工程
导师：	蒋斌松
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国矿业大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文