本文選題：寒區(qū)隧道　切入點：溫度場　出處：《中國礦業(yè)大學》2014年博士論文

【摘要】：隨著振興東北老工業(yè)基地和西部大開發(fā)政策的實施，鐵路和公路網(wǎng)正從東往西，從南向北發(fā)展，而這些地區(qū)都屬于高緯度或高海拔地區(qū)，是季節(jié)性凍土區(qū)，在這些地方修建隧道將面臨著凍害的威脅。本文以新疆玉希莫勒蓋隧道為依托，采用現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析、數(shù)值模擬以及相似模擬試驗等手段相結(jié)合，對季節(jié)性寒區(qū)隧道的溫度場與變形進行了一系列的研究，對季節(jié)性寒區(qū)隧道的建設(shè)具有一定的指導意義。 (1)通過在現(xiàn)場監(jiān)測獲得新疆天山玉希莫勒蓋隧道的大氣及圍巖內(nèi)的溫度變化規(guī)律，并對大氣的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合分析，為之后的理論計算和數(shù)值模擬等相關(guān)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；根據(jù)圍巖中的溫度監(jiān)測結(jié)果可近似得到該隧道的凍結(jié)深度，為之后的圍巖穩(wěn)定性分析提供必要的參數(shù)，也可對溫度場的數(shù)值模擬結(jié)果進行對比驗證；此外通過對隧道不同斷面的溫度分析得到了現(xiàn)場需要鋪設(shè)保溫層的距離。 (2)基于平面假設(shè)，并認為保溫層起到良好的保溫效果，建立了包括保溫層、襯砌和圍巖三層介質(zhì)的寒區(qū)隧道溫度場的數(shù)學模型；采用Laplace積分變換和DenIsger數(shù)值反演法對其求解；根據(jù)對現(xiàn)場溫度監(jiān)測結(jié)果的擬合，對玉希莫勒蓋隧道的溫度場進行了分析，得到了其相應的變化規(guī)律；結(jié)果顯示現(xiàn)場鋪設(shè)5cm保溫層不足以防止凍害的發(fā)生，以襯砌外緣溫度大于等于零為判別條件，經(jīng)過試算確定了在不采取其他防護措施時玉希莫勒蓋隧道不發(fā)生凍害至少需要19cm厚的保溫層；對對流換熱系數(shù)、年平均氣溫以及地層溫度三個參數(shù)進行分析得到：對流換熱系數(shù)對隧道溫度場的影響較小，并分別得到不同的年平均氣溫或不同地層溫度下玉希莫勒蓋隧道所需要保溫層的厚度。為該地區(qū)類似工程的建設(shè)提供一定的指導和理論依據(jù)。 (3)采用Geo-studio軟件中TEMP模塊對玉希莫勒蓋隧道在未鋪設(shè)保溫層和鋪設(shè)5cm保溫層兩種情況下的溫度場進行研究；當未鋪設(shè)保溫層時提取與現(xiàn)場相應位置的溫度結(jié)果，，發(fā)現(xiàn)兩者規(guī)律基本一致，驗證了所選參數(shù)的可靠性；當鋪設(shè)5cm保溫層時，發(fā)現(xiàn)雖然保溫層能較好的阻止負溫的傳遞，但是該厚度還不足以保證圍巖不發(fā)生凍結(jié)，仍存在0.4m的凍結(jié)深度；通過對以上兩種情況凍結(jié)鋒面的移動情況進行整體擬合和分段擬合研究，整體擬合的相關(guān)系數(shù)雖然較高，但未能較好的包含凍結(jié)鋒面的所有信息，現(xiàn)對不同材料分別進行線性擬合，得出以下結(jié)論：底板是凍結(jié)鋒面發(fā)展最快的位置，拱肩次之，拱腳是發(fā)展最慢的位置；凍結(jié)鋒面在襯砌中擴展的速度是圍巖的8~10倍；凍結(jié)鋒面在第二周期比第一周期擴展的范圍要稍大一些。當鋪設(shè)保溫層后拱肩為凍結(jié)鋒面發(fā)展最快、最遠的位置，其次是底板�；谝陨戏治觯瑢⒐凹绾偷装宥甲鳛槲ｋU位置對玉希莫勒蓋隧道所需保溫層厚度進行分析，得到在不采取其他措施的情況下，需要鋪設(shè)21cm厚的保溫層方可保證隧道不發(fā)生凍害。 (4)將凍脹應變看作為拉應變，并對已有凍結(jié)圍巖本構(gòu)方程中的不足進行修正，根據(jù)凍脹位移的方向認為存在凍結(jié)零位移點，并給出求解方法。基于修正后凍結(jié)圍巖的本構(gòu)方程首先求解了不等壓條件下寒區(qū)隧道圍巖應力場，分別分析了襯砌與圍巖中在不同的側(cè)壓力系數(shù)和角度時應力場的規(guī)律。其次對靜水壓力場是圍巖中可能出現(xiàn)的三種情況進行了分析，并對塑性半徑小于凍結(jié)圈時進行了參數(shù)分析，從而更好地解釋了各相關(guān)參數(shù)對圍巖應力場和塑性區(qū)的發(fā)生的影響。最后，針對圍巖中不發(fā)生塑性破壞這種最簡單的情況建立凍結(jié)圍巖融化的彈性模型，考慮凍結(jié)圍巖融化后體積縮小的現(xiàn)象，得到了凍結(jié)融化后圍巖應力場。根據(jù)以上分析對玉希莫勒蓋隧道在凍結(jié)和融化時的圍巖應力場和變形場的求解。 (5)根據(jù)相似理論對季節(jié)性寒區(qū)隧道的溫度場和凍脹力進行了相似模擬試驗研究，整個試驗裝置包括模型主體、邊界溫度控制系統(tǒng)、大氣溫度模擬系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成，分別進行了未鋪設(shè)保溫層和鋪設(shè)5cm保溫層兩組試驗，雖然試驗結(jié)果溫度的幅值偏低，但是仍然可以得出保溫層能較好的阻止負溫度傳遞，平均阻斷率達86.5%，未鋪設(shè)保溫層時的凍結(jié)深度為2m，鋪設(shè)保溫層時的凍結(jié)深度縮小為0.5m。試驗中襯砌壁后最大徑向和環(huán)向凍脹力的平均值為0.29MPa和0.275MPa。通過底板最大的環(huán)向應變反算最大凍脹力為0.613MPa，其他三處反算的平均最大凍脹力為0.511MPa，該結(jié)果比壓力盒的測試結(jié)果偏大，主要原因為壓力盒厚度達1.1cm導致凍脹力測試結(jié)果偏小，另外應變反算的凍脹力是基于圓模型存在一定的偏差。 (6)根據(jù)現(xiàn)場的溫度監(jiān)測結(jié)果，將其與數(shù)值模擬、模型試驗和理論計算的結(jié)果進行對比分析，并分析其產(chǎn)生偏差的原因；另外，采用數(shù)值模擬和理論計算對鋪設(shè)16cm保溫層時襯砌外緣的溫度曲線進行對比分析，得出最低溫度的大小關(guān)系；最后對現(xiàn)場凍脹力和試驗測試的凍脹力進行對比分析。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U451.2

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 乜風鳴;寒凍地區(qū)鐵路隧道氣溫狀態(tài)[J];冰川凍土;1988年04期

2 賴遠明,喻文兵,吳紫汪,何平,張孟喜;寒區(qū)圓形截面隧道溫度場的解析解[J];冰川凍土;2001年02期

3 黃雙林;昆侖山隧道施工期間圍巖凍融圈的初步研究[J];冰川凍土;2003年S1期

4 張耀;何樹生;李靖波;;寒區(qū)有隔熱層的圓形隧道溫度場解析解[J];冰川凍土;2009年01期

5 仇文革;孫兵;;寒區(qū)破碎巖體隧道凍脹力室內(nèi)對比試驗研究[J];冰川凍土;2010年03期

6 吳滿路,張春山,廖椿庭,區(qū)明益;風火山隧道地應力測量及工程穩(wěn)定性分析[J];地球?qū)W報;2005年01期

7 陳長臻;楊維好;張濤;楊愛東;;外壁恒溫條件下單管凍結(jié)溫度場發(fā)展規(guī)律[J];遼寧工程技術(shù)大學學報(自然科學版);2010年02期

8 劉永華;;青海省G227線大坂山隧道病害整治設(shè)計[J];公路隧道;2010年01期

9 顧博淵;姚紅志;;寒區(qū)隧道凍脹力計算分析[J];公路隧道;2012年01期

10 呂書清;;凍結(jié)狀態(tài)下軟巖隧道凍脹力分析[J];哈爾濱師范大學自然科學學報;2008年04期

相關(guān)博士學位論文 前3條

1 賴金星;高海拔復雜圍巖公路隧道溫度場特征與結(jié)構(gòu)性能研究[D];長安大學;2008年

2 唐雄俊;隧道收斂約束法的理論研究與應用[D];華中科技大學;2009年

3 扈世民;大斷面黃土隧道圍巖變形特征及控制技術(shù)研究[D];北京交通大學;2012年

本文編號：1653328