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原文传递寒区隧道不均匀冻胀对隧道结构影响的数值模拟

论文题名：	寒区隧道不均匀冻胀对隧道结构影响的数值模拟
关键词：	寒区隧道;数值模拟;不均匀冻胀;水热力耦合
摘要：	寒区隧道常常存在不同程度的冻害，例如衬砌壁面挂冰，隧道底部渗水结冰，隧道顶部漏水结冰等等，围岩不均匀冻胀是产生冻害主要原因之一，以往研究中通常设定隧道围岩对结构的冻胀作用是均匀的，但通常冻胀由于各种原因是不均匀的，如不均匀的含水量、围岩力学性质的不均匀等等，故其冻胀也是不均匀的。在以往研究中，不均匀冻胀对隧道结构产生不利影响较少涉及。　　寒区隧道的温度场，水分场以及应力场的相互作用关系对隧道冻害的研究极为关键，本文通过建立冻土水-热-力耦合机制，借助COMSOLMultiphysics有限元分析软件，以某寒区隧道为对象，深入研究了由于水分分布不均匀造成不均匀冻胀对隧道结构的影响及特点。主要研究内容及成果如下：　　（1）在通过大量的文献阅读，以及详细查阅隧道设计资料获得隧道围岩相关物理、力学、以及热力学参数的基础之上，查阅当地温度气候条件，确定温度场计算所需边界条件。随后对寒区隧道冻胀理论以及冻胀破坏机理进行详尽与系统地阐述与归纳，并提出满足于工程实际与计算模型的边界条件，并对冻胀温度场、水分场以及应力场的控制方程建立以及水-热-力耦合实现过程进行详细阐述。　　（2）通过未设定不均匀冻胀的数值模型进行温度场分析，设立不同位置的探针探测温度数据，得到其不同径深处各个时间点的温度，以及随着径深的增加温度的变化特征。之后对围岩不均匀冻胀模型的温度场进行分析，并与未发生不均匀冻胀时的模型进行对比，得到了以下规律：围岩温度变化会随着隧道径深的增加而愈发迟缓，温度曲线拐点相比于环境温度曲线向右平移。　　而相比较于均匀冻胀时，在同一位置，不均匀冻胀发生时富水区域的温度变化会较为迟缓，温度也会有不同程度的增高，这是由于富水区域未冻水含量较高，导致围岩对温度不敏感。　　（3）均匀冻胀时，围岩各个径向方向冻结深度会随着温度的降低而相对均匀地增加。当不均匀冻胀发生前期，由于温度不够低，围岩含冰量与均匀冻胀时较为相似，随着温度逐渐降低，富水区域含冰量会急剧增大，且高于周围土体。　　（4）探究不均匀冻胀对隧道结构受力的影响。与温度场类似，首先对未设置不均匀冻胀的数值模型进行应力场计算，分别在拱顶、拱肩、边墙、拱脚以及仰拱处设立探针，测定从11月至1月衬砌各个部位的应力值。结果表明冻胀力会随着温度降低而增大，并在1月达到最大值。均匀冻胀时拱顶受冻胀力最大。当隧道发生不均匀冻胀时，衬砌受力状态会有所改变，拱顶不再是受冻胀力最大的区域；当边墙处发生不均匀冻胀时，边墙处冻胀力最大；仰拱处发生不均匀冻胀时，仰拱处冻胀力最大；拱脚处发生不均匀冻胀时，仍然是仰拱处冻胀力最大。此外，不均匀冻胀会导致衬砌位移增大，拱脚发生不均匀冻胀对位移影响最大。
作者：	李宁
专业：	工程力学
导师：	刘志强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022