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原文传递膨胀岩地区地铁隧道围岩传热特性及热效应研究

论文题名：	膨胀岩地区地铁隧道围岩传热特性及热效应研究
关键词：	地铁隧道;膨胀性围岩;传热特性;热效应
摘要：	南宁盆地膨胀岩分布较为广泛，修建地铁必将大范围穿越膨胀岩层。地铁长期运营过程中不断产生热量，膨胀性围岩作为传蓄热的载体同时，其特性也会受到热量变化的影响。温度的长期反复变化，使得膨胀岩土内部各组成分也随之变化，改变了岩土体的材料本身性质，影响到变形、强度特性及水理性质等，使原有的内外作用力或增强或减弱，膨胀岩发生湿热迁移及体积变化。在地铁运营这一工程背景下，针对膨胀岩特殊的“热敏性”，研究膨胀性地铁围岩的传热规律及其热效应，具有十分重要的理论与实际意义。本文以南宁地铁隧道穿越的膨胀岩层为研究对象，采用工程现场调研、数据采集分析、室内机理试验和模型试验以及数值模拟等研究手段，对膨胀性围岩的“热”相关问题开展研究。　　对南宁地铁1、2号线共56个车站及区间的第三系泥岩的热物理指标、物理力学指标进行统计分析，运用灰色关联法分别分析各因素数列与其他物理力学参数间的敏感性。通过试验对比不同粒径范围的重塑膨胀岩与原状膨胀岩的差异，研究成果表明，进行传热特性、膨胀力试验与三轴试验时，用粒径范围0.25mm≤d＜0.5mm的膨胀岩团粒重塑可较好替代原状样;进行无荷载膨胀率试验时，应用团粒粒径范围1mm≤d＜2mm的重塑土样替代原状样。　　在此基础上，通过室内试验分别探究了膨胀岩三相比例、温度及膨胀率等因素对膨胀岩热物理指标的影响规律，剖析其传热特性。结果表明，重塑膨胀岩的导热系数与含水量、干密度及温度正相关，而与吸水膨胀后的变形量负相关，并结合试验结果分别建立了导热系数与含水率、干密度双参数间的关系式和不同温度条件下导热系数的计算公式。　　为了揭示膨胀岩的膨胀性与强度的热效应，在不同温度条件下分别对重塑膨胀岩进行了无荷载膨胀率试验、膨胀力试验和三轴试验。研究表明，膨胀岩的膨胀率和膨胀力都随着温度的升高而增加，膨胀力和温度间有较为良好的相关性，通过拟合可以得到膨胀力与温度关系式:P=AeBt;当膨胀岩土样含水率较低时，膨胀岩强度表现出“热硬化”，粘聚力c会随着温度的升高而增大，膨胀岩土样含水率较高时，膨胀岩强度表现出“热软化”，粘聚力会随着温度的升高而减小。　　根据南宁地铁实际工况，采用大型模型试验和数值模拟的方法研究地铁运营所产生的热量对管片和围岩的影响规律，分析不同工况下膨胀性围岩的传热规律及膨胀岩热效应对盾构管片的内力作用与形变特征，并对结果进行相互印证。研究结果显示，地铁运营2.37years～5years后，隧道围岩温度趋于稳定，围岩的热套厚度为4倍隧道直径(4D);隧道围岩的膨胀力会随着温度的升高而增加，热效应较为明显。研究成果可为今后地铁工程设计施工提供参考依据，也为地铁运营过程中膨胀性围岩的“热”相关问题提供借鉴。
作者：	潘鑫
专业：	结构工程
导师：	欧孝夺
授予学位：	博士
授予学位单位：	广西大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文