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原文传递寒区隧道局部存水冻胀特性及对衬砌结构的影响

论文题名：	寒区隧道局部存水冻胀特性及对衬砌结构的影响
关键词：	寒区隧道;局部存水冻胀;水热力耦合;数值模拟
摘要：	寒区隧道工程由于寒冷环境导致隧道产生了一系列冻害问题，不但给隧道设计与施工提出了许多新问题，而且对行车安全、隧道运行管理带来诸多挑战，后期往往造成巨大的资源浪费和经济损失。冻害形式多样且作用机理复杂，它主要是由地下水、渗漏水和气候等因素共同作用而成，且是寒区隧道目前亟待解决的核心问题之一。本文主要为应用基础研究，开展了室内模型试验以及数值仿真模拟相互结合的方法，针对寒区隧道洞口段不同位置局部存水，产生不均匀冻胀过程中冻胀力、围岩受力变形进行研究，主要内容及研究成果如下：　　（1）根据相似理论，利用室内模型试验研究了寒区隧道洞口段仰拱局部存水、边墙局部存水和拱脚局部存水的冻胀-融化过程。对不同工况下围岩土体温度、衬砌纵向应变和衬砌受到的冻胀力进行了监测、采集和分析。试验结果表明，不同局部存水冻融过程中，模型箱内土体在降温过程主要包含三个阶段，即围岩土体未冻结阶段、相变阶段（冰水相变影响温度分布）、冻结阶段。升温过程包含两个阶段，有相变阶段和融化阶段，温度变化曲线大致呈“∨”字形分布。且不同工况下温度变化曲线基本相似。　　衬砌结构在冻融过程中的受力表现为，整体来看，前期由于土体固结收缩，衬砌各位置纵向应变有明显增加，土体温度逐渐进入负温后，短时间内孔隙水压减少纵向应变也随之减小。随时间发展，冻胀力增大且对衬砌外壁衬的挤压作用显著提高，该阶段纵向应变增长迅速，对比分析发现局部存水区域衬砌段纵向应变增长要大于其他部位，同时也说明局部存水冻胀时该部位轴力成长较快。其次，存水区与非存水区交界位置处，应变增长率也较大，表明局部存水冻胀具有非常显著的区域性特征。　　最后，分析了隧道存水冻胀时衬砌结构受到的冻胀力，整体而言衬砌外部围岩土体冻胀力随温度降低逐渐升高，局部存水区域的衬砌段受到的冻胀力最大，其次是存水区与非存水区交界位置处。存水范围越大，衬砌局部受到的冻胀力越大，局部存水区冻胀力大小由大到小依次为边墙局部存水、仰拱存水和拱脚存水，拱脚局部存水对衬砌的影响最小。　　（2）应用饱和—非饱和渗流理论和固体力学理论建立的水-热-力耦合模型，探究寒区隧道洞口段衬砌在围岩不同位置局部存水冻融时围岩温度场、水分场分布和衬砌受力变形特征。在室内模型试验的基础上，基于考虑冰水相变的热传导理论、水分迁移等方程。利用COMSOLMultiphysics有限元软件建立了以室内模型试验为基础的隧道仰拱存水冻胀、边墙存水冻胀和拱脚存水冻胀的水热力耦合二维模型，对室内模型试验进行模拟，并且在此基础上增加了拱顶存水冻胀和拱脚存水冻胀。试验结果显示，其温度场变化特征与室内试验温度场变化规律基本相似。模拟试验与室内模型试验在部分位置温度变化规律出现不同是因为模拟试验与室内模型试验的温度边界条件存在差别，室内模型试验温度变化边界主要为冰柜内壁，模拟试验环境温度边界为了更加切合实际选取了衬砌内壁和模型顶部边界。　　（3）数值模拟试验结果显示，5种不同位置局部存水工况进行冻胀时，当冻结程度最大时，仰拱局部存水、边墙局部存水和拱顶局部存水冻胀过程中衬砌应力、应变峰值大多出现在存水区与非存水区交界位置处，衬砌变形峰值出现在存水点位置处，与室内模型试验结果存在一定的偏差，但是应力峰值均出现在存水点周围，进一步表明局部存水冻胀对衬砌受力有非常明显的区域性特征。除此而外，拱脚局部存水、拱肩局部存水冻胀模拟过程中，由于其存水宽度较小，冻胀应力集中效应明显，其衬砌应力峰值存在于存水点处，存水区与非存水区交界位置的衬砌段应力峰值较存水点较小。最后，将数值模拟结果与室内模型试验相结合，分析对比，得到了隧道局部存水冻胀时隧道温度场分布特征、衬砌受力等特点。
作者：	张健
专业：	岩土工程
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