寒区隧道围岩损伤试验研究和水热迁移分析

论文摘要

随着西部大开发和东北老工业基地振兴，修建大量基础设施势在必行，诸如公路、铁路及隧道工程等。我国东北和西部地区多为气候寒冷的高山和高原地区，在这些地区修建交通基础设施及其后期运营过程中，遇到了寒区特有的冻害问题。本文在国家自然科学基金（项目批准号：40372119）的支持下，针对寒区隧道冻害这一寒区最常见的工程问题展开研究，主要工作如下： （1） 利用先进CT无损检测技术，对不同冻融环境下不同岩样的细观损伤结构变化进行了系统的试验研究。主要研究内容为：1) 提出了CT检测的区段统计频率分析法。2) 针对不同冻融循环次数，对铜川砂岩和耀县砂岩细观损伤结构变化进行了实验研究，结果表明：随冻融循环次数的增加，含水率大、孔隙率高、强度低的耀县砂岩损伤扩展较为明显，CT均值降低；对强度高、孔隙率低的铜川硬砂岩初期影响不大，后期影响较大。3) 对不同冻结温度时铜川大理岩、铜川硬砂岩和铜川软砂岩细观损伤结构变化进行了实验研究，结果表明：岩石材料颗粒的热胀冷缩和水冰相变膨胀共同决定了冻融后的细观结构变化。4) 对不同冻结速率下铜川大理岩、铜川硬砂岩和铜川软砂岩细观损伤结构变化进行了实验研究，结果表明，冻结速度对孔隙率贯通性强的岩样细观结构影响不大，而对孔隙贯通性差的岩样细观结构则有一定的影响。 （2） 以有限差分为数值计算基础，以通用商业软件FLAC3D2.1软件为平台，利用其内置的FISH语言为工具，编制了计算程序，克服了FLAC3D2.1软件本身边界条件不能随时间任意变化、不能考虑相变潜热和相变前后导热系数以及比热的变化等不足。并用该程序对某寒区隧道进行了三维数值研究，主要研究了隧道添加保温材料前后三维冻结规律、水冰相变温度范围和冻结区形成温度对隧道围岩冻结圈的影响。结果表明，当取0℃作为冻结区形成温度时，水冰相变温度范围越大，冻结圈厚度越大；当取相变中间温度作为冻结区域形成温度时，相变范围越大，冻结圈厚度越小。 （3） 推导了寒区温度场和渗流场完全耦合的控制微分方程。渗流场控制微分方程中考虑了水结冰后孔隙率变化对渗流场的影响，而温度场控制微分方程中考虑了随水的渗流而产生的热交换、水冰相变潜热、导热系数与比热在冻结

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 冻土工程的研究意义
• 1.2 寒区隧道工程研究现状
• 1.2.1 寒区隧道冻害问题三种假说
• 1.2.2 寒区隧道围岩细观结构损伤检测研究
• 1.2.3 寒区隧道围岩温度场、渗流场及应力场研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 冻融环境下岩石细观损伤结构变化实验研究
• 2.1 CT检测基本原理及区段统计频率分析法
• 2.1.1 CT检测基本原理
• 2.1.2 区段统计频率分析法
• 2.2 冻融循环条件下岩石细观损伤结构变化实验研究
• 2.2.1 实验简介
• 2.2.2 实验结果分析
• 2.2.3 冻融损伤演化分析
• 2.3 冻结温度对岩石细观损伤扩展影响实验研究
• 2.3.1 实验介绍
• 2.3.2 实验结果分析
• 2.4 冻结速度对岩石细观损伤扩展影响实验研究
• 2.4.1 实验介绍
• 2.4.2 实验结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 寒区隧道围岩温度场数值模拟
• 3.1 热传导控制微分方程
• 3.2 热传导控制微分方程的有限差分格式
• 3.3 低温相变温度场的理论与程序实现
• 3.4 寒区隧道围岩温度场的三维数值模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 寒区隧道围岩渗流场—温度场耦合数值模拟
• 4.1 渗流场与温度场耦合的控制微分方程的推导
• 4.1.1 渗流连续性微分方程的推导
• 4.1.2 温度场控制微分方程的推导
• 4.2 渗流场与温度场耦合有限差分分析
• 4.2.1 渗流场有限差分分析
• 4.2.2 温度场有限差分分析
• 4.3 渗流场和温度场耦合的有限差分程序实现
• 4.4 寒区隧道围岩渗流场—温度场耦合数值模拟
• 4.5 本章小结
• 第5章 寒区隧道围岩冻胀条件下的弹塑性分析
• 5.1 寒区隧道围岩冻胀力弹性公式
• 5.2 寒区隧道围岩塑性区的应力分析
• 5.3 寒区隧道围岩塑性区边界分析
• 5.4 算例
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与研究成果