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原文传递高岩温隧道轻骨料混凝土热力学特性及衬砌隔热优化研究

论文题名：	高岩温隧道轻骨料混凝土热力学特性及衬砌隔热优化研究
关键词：	高岩温隧道;轻骨料混凝土;衬砌支护;导热系数;隔热性能
摘要：	在岩体地层中修建隧道常常面临各种复杂地质条件，高岩温就是典型不良地质问题之一。随着隧道长度、埋深的增加，高岩温热害问题已日趋严重，面对高岩温隧道施工与运营过程中施工环境高温、结构热力损伤两个热害问题缺乏有效统一的治理办法，严重影响施工进度和运营安全。因此，本文基于主动降温理念，以隧道施工运营期间热害问题为导向，用轻骨料混凝土兼做初期支护和隔热结构，分别开展了现场实测、室内试验和数值模拟等工作，对轻骨料混凝土的力学性能和隔热性能进行了探索，主要得到了以下结论：　　（1）以高岩温隧道为背景，开展轻骨料混凝土L934拟水平正交试验，结果表明：页岩陶粒掺量是影响轻骨料混凝土各项物理力学性能的显著因素，玻化微珠次之。当页岩陶粒和玻化微珠掺量越多时，其表观密度、抗压强度、抗拉强度、抗折强度和导热系数均不断减小。养护温度升高，其抗压强度、抗拉强度、抗折强度和导热系数均先减小后增加。页岩陶粒和玻化微珠掺量的水平影响权重均以低掺量为最大，随着掺量的增大，其影响权重均不断降低。对试验数据进行多元线性回归分析得到轻骨料混凝土物理力学性能的预测模型，结果显示拟合精度较高。　　（2）通过建立由骨料、砂浆、ITZ 组成的轻骨料混凝土二维三相随机骨料细观模型对其导热性能进行研究，结果表明：轻骨料混凝土的稳态温度场基本呈现出层状分布，骨料的存在使温度场的层状分布存在一定的波动。骨料存在处在热流场云图中形成阴影区，阴影区的位置与骨料的位置一一对应，证明轻骨料具有良好隔热性能的机理。随着骨料含量的不断增加，导热系数呈现出线性减小的趋势；在相同的骨料含量下，随着骨料不断变大，导热系数呈现出不断减小的趋势；随着界面过渡层厚度的不断变大，导热系数呈现出线性增大的趋势。对模拟数据进行多元线性拟合，得到界面热阻系数α的预测公式，提出优化后的考虑界面热阻的Maxwell模型，计算值与模拟值的最大误差为0.79%。　　（3）利用 ABAQUS 建立高岩温隧道温度场数值模型，研究轻骨料混凝土初期支护的隔热性能，结果表明：不同轻骨料混凝土导热系数对围岩温度场的分布具有显著的影响。随着围岩径向深度的增加，不同导热系数下的围岩温度呈现出幂指数增长趋势，且随着径向距离的增加不断趋于稳定。导热系数越小，各径向深度处的围岩温度越高。随着通风时间的增加，不同导热系数下各个径向深度处的围岩温度差别减小，表现为不同导热系数下的曲线逐渐收缩。不同喷层厚度下围岩温度场的分布规律和导热系数基本一致。壁面温度的变化与导热系数的变化关系呈现出正相关关系，导热系数越大，壁面温度逐渐升高并趋于稳定。轻骨料混凝土喷层厚度越大，二衬壁面温度越低，采用增加喷层厚度的方式来增加轻骨料混凝土的隔热性能效果有限。　　（4）对热力耦合作用下衬砌支护结构的受力情况进行数值模拟，结果显示：温度应力作用下衬砌结构内力较无温度应力时有了显著的增大。不同导热系数下衬砌的最大主应力极值主要位于仰拱，拱腰和拱顶也存在不小的拉应力，最小主应力极值位于拱脚。随着导热系数的增大，拱顶的最小主应力则开始逐渐减小，承受越来越大的压力；最大拉、压应力值也不断增大，但速率逐渐减缓。不同喷层厚度下衬砌结构最大主应力极值主要位于仰拱和拱腰，随着喷层厚度的增加，最大拉、压应力值呈现出不断减小的趋势。增大喷层厚度可以起到一定的隔热效果，但增加幅度不如导热系数大。
作者：	邓世灵
专业：	土木工程
导师：	黄锋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023