单位文秘网 2021-08-30 09:00:27 点击: 次
安全等问题的研究较少,因此,对寒区隧道温度场、衬砌结构力学性状的研究是目前寒区隧道工程中亟待解决的一个重大课题。
1 隧道冻胀机理
1.1土体转化冻土体时的体积膨胀
在冻土的形成过程中,当温度降低到土体的冻结温度以下时,水分向正在冻结的土体中迁移并发生相态变化,当此温度持续或继续降低时,土体中的液态水大部分转变为固态水,相态变化逐渐缓慢直至消失,在这个过程中,土体中的液态水凝固并以冰的形式填充到土颗粒间隙中,当土体中水相态变化的体积膨胀足以引起土颗粒之间的相对位移时就引起了土体的冻胀。土体的冻胀特性通常用冻胀率 表示: ( V—冻结后土体体积膨胀量;
1.2冻胀力的弹性力学计算
为使问题简化,将隧道看成使处在无限大山体中的圆形空洞,并作如下基本假设:
(1)隧道围岩为均质、各向同性的连续介质;
(2)隧道围岩及衬砌受力属于弹性应变中的平面应变问题;
(3)冻结围岩处于封闭饱水状态;
(4)不考虑围岩及隧道衬砌的自重。
冻土隧道冻胀力弹性力学的计算模型图1,Ⅰ区为隧道衬砌,Ⅱ区为冻结围岩,Ⅲ区为未冻围岩,a为隧道衬砌内径,b为隧道衬砌外经,h为冻结圈深度。当围岩冻深为 时,根据图2所示的计算模型,将衬砌、冻结围岩和未冻结岩石看成是由3个轴对称弹性体相互接触组成的受力体系。衬砌(内、外径分别为a、b),冻胀力 为:
2 温度场、应力场耦合数值模拟
2.1围岩导热系数的确定
围岩的比热容值选定为2240J/(KG.K),利用所选取保温材料的导热系数和砼的导热系数,采用圆桶壁方法计算等效后砼的导热系数如下表1。
2.2计算模型和计算参数
采用基于弹塑性力学的有限元方法,建立未冻围岩、冻结围岩及隧道衬砌相互作用的计算模型,对该隧道的冻胀力计算,选取洞口深埋段K7+700断面,计算参数如下表2。
2.5 耦合计算结果分析
2.5.1无保温层时冻胀力
本次计算计算从最寒冷的月份开始加载,计算其50年的冻胀力情况,对洞内混凝土表面施加温度函数载荷。通过计算围岩内温度场的变化,而确定围岩和衬砌的冻胀力, 由图2中计算结果可知,对K7+700断面围岩加载1年后衬砌均承受103 kPa的压应力,仰拱承受42 kPa,衬砌周围的围岩承受14 kPa的压应力。到50年后,衬砌承受161 kPa的压应力,而围岩和仰拱均仍承受161 kPa的压应力。围岩承受的压应力已趋于稳定,衬砌承受的压应力也变化不大,这可以由温度场的变化可以看出,负温区的变化很小,这是由于该段是季节性冻土的缘故。
3 结语
在寒区隧道设计中,根据温度施加多少冻胀力符合实践情况。对隧道运营后洞内外温度及温湿度进行跟踪监测,从而获得这个地区的隧道温度及湿度的变化,为寒区隧道的设计与施工、灾害预防提供有效的技术资料。
参考文献
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