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原文传递高温差下隧洞围岩衬砌结构热应力特性研究

论文题名：	高温差下隧洞围岩衬砌结构热应力特性研究
关键词：	隧洞围岩;衬砌结构;热应力特性;温差环境;隔热材料
摘要：	在高温高压环境下的隧洞(道)工程中、高放射性核废料地下贮存等,高温差环境下裂隙岩体(围岩)与衬砌支护结构的热-力(TM)耦合特性直接影响岩石工程的设计、施工。本文依托正在建设的西部某水电高温隧洞(隧道洞局部岩石最高温度105℃),基于现场试验、解析分析、数值试验研究高温差环境下隧洞围岩衬砌结构热力耦合特性,以期为高温隧道设计分析、施工提供理论基础与依据。本文的主要研究结论与成果如下: 　　(1)、通过现场试验,得到隧洞围岩衬砌结构在不同工况下温度场分布特征,建立了隧洞围岩温度分布预测模型与复合衬砌温度场预测模型。　　通过现场试验,得出隧洞围岩衬砌结构在不同工况下温度场的分布变化特征,基于现场温度实测建立了的温度场计算模型与复合衬砌温度场模型,利用傅立叶定律推导出圆形隧洞在无任何支护隔热措施下温度影响范围内的围岩温度分布公式与复合衬砌隧洞的温度场分布公式,并与实测数据进行了对比,发现在不同条件下,本文计算值与实测值具有较好的一致性。　　(2)、通过现场试验得到了高温差环境下隧洞衬砌热应力变化特征并通过不同的衬砌隔热材料,试验对比分析了不同隔热材料的隔热效果与适应性。　　在全面了解高温隧洞围岩温度分布规律的基础上,通过现场试验测试了高温隧洞 TM耦合下衬砌支护结构的受力变形。在隧洞进水后,衬砌原来所承受的压应力转化为拉应力,且拉应力值瞬间增加很快。拉应力的量值与隧洞埋深H、直径D,围岩原始地温T,衬砌厚度h密切相关。在隧洞开始排水之后,边墙环向拉应力值降低,此后,随着隧洞水体的排空,环向应力转化为压应力。拉破坏是高温隧道衬砌可能破坏的主要模式。　　三种保温材料 XPS(挤塑聚苯乙烯薄膜板)、EPS(发泡保温板)、泡沫玻璃表现出不同的隔热效果,从而对于衬砌受力表现出不同的影响。对于隔热材料XPS与泡沫玻璃,在进行过水时,洞壁温度发生改变时,表现出良好的隔热效果,有效地阻滞了衬砌环向应力的进一步增大,泡沫玻璃隔热效果要优于XPS。　　(3)、解析得到了隧洞开挖过程中围岩热应力与运行期不同温度微步时刻衬砌热应力的变化分布规律。　　在分析隧洞开挖时引起的围岩应力、应变变化的基础上,对于开挖高温洞室,提出了温度与开挖共同影响洞室围岩应力场特性的分析模型;推导了开挖卸荷与温度变化相互影响引起的隧道围岩任意深度处的变形与应力分布解析表达式。基于此模型,提出衬砌 TM耦合分析微步温变分析法,对高温隧道运行期过水时隧道的衬砌结构进行系统TM耦合分析,比较真实地反映衬砌在不同工况下的应力变化分布规律。　　(4)、通过系统数值试验,进一步对高温洞段围岩衬砌结构在各实际工况条件下受力特性进行了系统分析研究,得到了其变化规律。并基于上述研究成果,提出高温差下隧洞支护设计原则。
作者：	姚显春
专业：	岩土工程
导师：	李宁
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安理工大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文