寒区隧道冻害形成机理与防治对策研究

论文摘要

本文以藏东地区珠角拉山寒区隧道工程为依托,在参考国内外有关文献的基础上,对寒区隧道温度场、冻胀力进行了计算和分析。模拟分析隧道温度的动态分布规律及其影响因素;研究分析了寒区隧道温度场与应力场的耦合关系,得出冻胀力的分布规律;对寒区隧道冻害现象及冻害机理进行了分析,并提出了相应的预防对策与治理措施。主要结论如下:①寒区隧道温度沿进深大致呈抛物线型分布,寒冷季节,洞口温度低,中间温度高;暖季相反,中间段温度低,进出口温度高。同一断面的隧道初始温度场,隧道拱顶的围岩温度最高,沿边墙逐渐减小,到仰拱底达到最低。隧道围岩的最小最大冻融范围应该在隧道拱顶和仰拱底处,其他位置围岩的冻融范围介于拱顶围岩和仰拱底围岩之间。②隧道洞口段围岩温度总体上向壁后随深度的增加而呈非线性增长的总体变化态势。二次衬砌混凝土和保温层厚度的增加,都可以明显减小其洞口段围岩的冻结深度;而隧道支护结构混凝土导热性能的变化对围岩冻结深度的影响则不甚明显。③在考虑冻胀力、围岩冻土的弹塑性以及隧道围岩的冻融变化耦合影响后,隧道的压力和位移都有所变化,由于衬砌结构刚度大,所以隧道衬砌结构的应力变化幅度较大;在设置保温层后,寒区隧道的拉应力和压应力都有所减小,同时除仰拱向上位移外,隧道围岩的位移都有所减小。④围岩的冻融循环是造成隧道衬砌失稳破坏的基本因素,而隧道围岩在冻胀过程中的水分迁移增强了冻胀的破坏性。根据冻胀作用机理和水体尺度的不同,隧道衬砌的冻胀现象分为微观冻胀、细观冻胀和宏观冻胀等三类。导致寒冷地区公路隧道冻害发生的原因可以总结为两个基本因素,即低温和适量的水。提高衬砌混凝土的抗渗抗冻能力,对隧道采取保温或供热措施是防治寒区隧道冻害的有效措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 基础理论研究
• 1.2.2 应用技术的研究
• 1.3 依托工程背景
• 1.3.1 工程概况
• 1.3.2 水文气象
• 1.3.3 地质地貌概况
• 1.3.4 围岩概况
• 1.3.5 设计概况
• 1.4 本文主要研究内容及技术路线
• 第二章 寒区隧道工程及其冻害分析
• 2.1 寒区隧道的分区与分类
• 2.1.1 我国寒区的定义和分布
• 2.1.2 寒区隧道分区
• 2.1.3 寒区隧道分类
• 2.2 寒区特长公路隧道的特点与工程的特殊性
• 2.2.1 寒区特长公路隧道的特点
• 2.2.2 寒区隧道工程的特殊性
• 2.3 寒区隧道冻害的类型与特征
• 2.3.1 我国寒区隧道工程冻害统计
• 2.3.2 寒区隧道冻害类型
• 2.3.3 寒区隧道冻害的分布特征
• 2.4 寒区隧道冻害产生的原因
• 2.5 本章小结
• 第三章 寒区隧道围岩温度场数值模拟研究
• 3.1 热传导基本概念及定解条件
• 3.1.1 传热学的三种基本热传导方式
• 3.1.2 热分析的分类
• 3.1.3 热分析材料的基本属性
• 3.1.4 三类边界条件
• 3.2 有限元模拟温度场的基本理论
• 3.2.1 温度插值函数和型函数
• 3.2.2 有限元法计算温度场的基本方程
• 3.2.3 总体温度特性矩阵方程及差分方程
• 3.2.4 ANSYS 模拟寒区隧道温度场的实现方法
• 3.3 寒区隧道温度场数值模拟
• 3.3.1 温度荷载的确定
• 3.3.2 热流率和边界温度值
• 3.3.3 热物理学参数的确定
• 3.3.4 总传热系数的确定
• 3.3.5 隧道模型尺寸的确定
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 寒区隧道洞口段温度场纵向分布规律
• 3.4.2 寒区隧道洞口段围岩横断面温度场分布规律
• 3.4.3 寒区隧道洞口围岩冻结深度研究
• 3.5 洞口段围岩温度场影响因素分析
• 3.5.1 二次衬砌混凝土厚度
• 3.5.2 混凝土导热系数
• 3.5.3 混凝土比热容
• 3.5.4 保温层厚度
• 3.6 本章小结
• 第四章 寒区隧道冻胀力数值模拟研究
• 4.1 寒区隧道围岩冻胀力的弹性解
• 4.1.1 冻胀力的弹性力学分析
• 4.1.2 冻胀力的弹塑性力学有限元计算方法
• 4.2 珠角拉山隧道进口段冻胀力数值计算
• 4.2.1 工程概况
• 4.2.3 计算模型及边界条件
• 4.2.4 计算结果分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 寒区隧道的冻害机理及其防治措施
• 5.1 寒区隧道冻害形成机理
• 5.1.1 寒区隧道衬砌冻胀变形破坏机理
• 5.1.2 隧道衬砌冻胀类型
• 5.2 寒区隧道冻害防治措施
• 5.2.1 提高衬砌混凝土的抗渗抗冻能力
• 5.2.2 对隧道采取保温或供热措施
• 5.3 冻害防治措施在珠角拉山隧道中的应用
• 5.3.1 珠角拉山隧道设计中的防排水措施
• 5.3.2 珠角拉山隧道设计中的保温措施
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果