本文關鍵詞：寒區(qū)鐵路隧道圍巖傳熱規(guī)律與中心深埋水溝設置研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：由于對寒區(qū)隧道周邊溫度隨氣溫變化分布規(guī)律認識不足,或低估了季凍區(qū)凍融循環(huán)的不利影響,也缺乏一套合理的防寒排水技術。使大量寒區(qū)隧道發(fā)生不同程度凍害,直接威脅隧道結構穩(wěn)定及通行安全,造成巨額的經濟損失。系統(tǒng)的數值模擬預測與現(xiàn)場測試反演分析,是揭示隧道溫度場時空分布規(guī)律及特征、控制圍巖傳熱特性的地質與工程因素的關鍵環(huán)節(jié),但至今這方面的研究還處于初步階段。鑒于此,本論文在總結現(xiàn)有國內外季節(jié)性寒區(qū)隧道溫度場研究的基礎上,以中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃重點課題“寒區(qū)高速鐵路隧道防寒排水關鍵技術研究”為依托,選取京沈客專瓦房店隧道開展溫度場現(xiàn)場測試。結合實測溫度數據,輔以數學推導、數值模擬等手段對寒區(qū)隧道溫度場的演變規(guī)律和中心深埋水溝的設置進行了細致研究,取得的主要結論和成果如下：(1)形成了一套集先進成熟的計算機技術、通信技術、數據采集技術及傳感器技術于一體的寒區(qū)隧道溫度場長期自動實時監(jiān)測系統(tǒng)。(2)通過對現(xiàn)場測試數據整理分析得：①寒區(qū)隧道溫度場遵循“外變內穩(wěn)”的變化規(guī)律,圍巖地溫梯度隨隧道縱向深度和徑向距離的增加均逐漸減小。②圍巖的導溫系數越大,熱傳導越快,圍巖的溫度與冷卻速度下降也越快。(3)利用實測數據確定了數值模擬的定解條件和溫度荷載,反演分析了圍巖綜合導熱系數,開展了溫度場三維非線性瞬態(tài)數值模擬。分析認為：①當隧道埋深較淺時,隧道拱頂上方圍巖溫度受洞內壁溫和大氣溫變的雙重影響。②洞中段隧道周邊等溫線形狀與隧道斷面輪廓大致相近,隨著徑向距離的增加,等溫線變成同心圓。(4)采用控制因素法研究了圍巖傳熱各影響因素的作用規(guī)律,計算結果顯示：調熱圈半徑隨圍巖導熱系數、壁面換熱系數的增大而增大,隨初始地溫、比熱和密度的增大而減小,相同溫差但不同溫度邊界對其沒有影響。熱流密度最大的點發(fā)生在隧道墻腳處,并且與該處的溫差成線性增函數關系。(5)修正了基于恒溫邊界平壁模型的隧道調熱圈半徑解析解。引入正交數值模擬設計對影響凍結深度的各因子進行了敏感性研究,直觀分析得：圍巖初始地溫影響最大,其次為導熱系數、密度和比熱,對流換熱系數影響最小。(6)提出了以二襯與初支交界面處溫度Ts=0℃作為設置仰拱下中心深埋水溝的控制條件。證明了以歷年冬季12-2月平均溫度最低值加載3個月預測中心水溝埋置深度更為可靠。研究了不同壁面溫度、不同圍巖導熱系數、不同初始地溫道床底面凍結深度變化規(guī)律,并給出了部分查詢表格,該結果對中心深埋水溝的設置具有一定的參考價值。
【關鍵詞】：寒區(qū)隧道 溫度場 調熱圈半徑 凍結深度 中心深埋水溝
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U451.2
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀13-23
• 1.2.1 初始地溫研究13-15
• 1.2.2 基本熱物理參數研究15-18
• 1.2.3 溫度場現(xiàn)場試驗研究18-20
• 1.2.4 溫度場計算方法研究20-21
• 1.2.5 中心深埋水溝設置研究21-23
• 1.3 依托隧道工程23-25
• 1.3.1 工程概況23-24
• 1.3.2 地形地貌與工程地質24-25
• 1.3.3 氣象水文資料25
• 1.3.4 防寒排水設計概況25
• 1.4 主要研究內容及思路25-28
• 第2章 傳熱學理論與有限元法28-36
• 2.1 熱傳遞基本方式28-29
• 2.1.1 熱傳導28
• 2.1.2 熱對流28-29
• 2.1.3 熱輻射29
• 2.2 導熱基本概念29-31
• 2.2.1 溫度場的分類29-30
• 2.2.2 等溫面與等溫線30-31
• 2.2.3 溫度梯度31
• 2.2.4 熱流密度31
• 2.3 導熱微分控制方程與有限元法31-34
• 2.3.1 導熱微分控制方程31-33
• 2.3.2 熱分析有限元法33-34
• 2.4 定解條件34-36
• 2.4.1 邊界條件34-35
• 2.4.2 初始條件35-36
• 第3章 寒區(qū)隧道溫度場現(xiàn)場測試與分析36-49
• 3.1 試驗目的36-37
• 3.2 自動監(jiān)測系統(tǒng)組成與工作原理37-41
• 3.2.1 自動監(jiān)測系統(tǒng)組成37-40
• 3.2.2 工作原理40-41
• 3.3 試驗段測溫孔布設41-43
• 3.3.1 測點斷面布置41-42
• 3.3.2 監(jiān)測點測設方案42-43
• 3.4 隧道溫度場現(xiàn)場測試成果與分析43-47
• 3.5 小結47-49
• 第4章 瓦房店寒區(qū)隧道數值模擬49-56
• 4.1 熱物理參數的確定49-50
• 4.2 三維非線性瞬態(tài)溫度場數值模擬50-55
• 4.2.1 模型的建立50
• 4.2.2 溫度荷載與定解條件50-52
• 4.2.3 數值計算與結果分析52-55
• 4.3 小結55-56
• 第5章 圍巖傳熱影響因素分析及演化規(guī)律56-73
• 5.1 有限元法計算二維瞬態(tài)溫度場的控制方程56-57
• 5.2 基本參數與調熱圈理論57-59
• 5.2.1 熱物理參數57-58
• 5.2.2 二維幾何模型58
• 5.2.3 調熱圈理論58-59
• 5.3 圍巖傳熱影響因素分析59-65
• 5.3.1 初始地溫影響59-61
• 5.3.2 圍巖熱物性影響61-64
• 5.3.3 壁面換熱系數影響64-65
• 5.4 調熱圈半徑演化規(guī)律研究65-69
• 5.4.1 調熱圈半徑解析解66-69
• 5.4.2 基于數值模擬的調熱圈半徑修正69
• 5.5 道床底面凍結深度影響因素的權重分析69-71
• 5.6 小結71-73
• 第6章 寒區(qū)隧道中心深埋水溝設置研究73-82
• 6.1 不同圍巖凍結深度研究73-74
• 6.2 中心深埋水溝埋置深度研究74-79
• 6.2.1 初支與二襯交界面溫度解析74-75
• 6.2.2 數值模擬基本思路確定75-76
• 6.2.3 不同溫度區(qū)域凍結深度預測76-79
• 6.3 中心深埋水溝設防長度研究79-81
• 6.4 小結81-82
• 結論與展望82-84
• 致謝84-85
• 參考文獻85-89
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及參加的科研項目89

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