本文關(guān)鍵詞：火災高溫下含濕黃土熱濕遷移中溫度場—濕度場—蒸汽壓力場分布研究

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【摘要】：地鐵、公路隧道在運營過程中,會發(fā)生火災�；馂母邷夭粌H對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性造成危害,而且還會將熱量傳導至襯砌外側(cè)的土體,在土體中形成溫度場,在熱的作用下,土體中的部分液態(tài)水出現(xiàn)熱濕遷移現(xiàn)象,使得土體中的濕度場重新分布;另一部分液態(tài)水吸收熱量發(fā)生氣化,以氣態(tài)形式存在于土顆粒之間的孔隙中,形成蒸汽場且具有一定的蒸汽壓力。在蒸汽壓力的作用下,襯砌外荷載增加,極有可能使已經(jīng)發(fā)生爆裂的混凝土襯砌發(fā)生破壞,同時蒸汽會沿著襯砌表面的裂縫進入襯砌內(nèi)部,對鋼筋等造成腐蝕,進一步威脅隧道混凝土結(jié)構(gòu)安全。本文以火災高溫下含濕黃土熱濕遷移過程中的溫度場、濕度場、蒸汽場及蒸汽壓力場作為研究課題。應用理論分析、試驗研究以及數(shù)值模擬的方法,對土樣導熱系數(shù)與含水率、干密度和自身溫度的函數(shù)關(guān)系,土樣的熱濕遷移現(xiàn)象,以及發(fā)生火災時隧道外側(cè)土體的溫度場、濕度場、蒸汽場及蒸汽壓場進行了系統(tǒng)研究。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:(1)土樣導熱系數(shù)與含水率和干密度的關(guān)系。當土樣干密度不變時,其含水率越高,導熱系數(shù)越大;當土樣含水率不變時,其干密度越大,導熱系數(shù)越大。(2)土樣導熱系數(shù)與自身溫度的關(guān)系。對于實驗所配制的干密度為1.5g?cm~（-3）、含水率為5%的土樣,其導熱系數(shù)隨自身溫度呈一次線性相關(guān)。(3)土樣熱濕遷移現(xiàn)象的規(guī)律研究。土樣的溫度場分布存在 劇烈降溫區(qū)間‖、 緩慢降溫區(qū)間‖以及 ?恒溫‘區(qū)間‖,距離熱源越近,測點的溫度越高,接近筒體邊緣時,測點溫度接近于常溫;土樣的濕度場分布存在 水分擴散區(qū)間‖、 水分集中區(qū)間‖以及 未擾動區(qū)間‖,隨著與熱源距離的增大,測點含水率先逐漸升高并出現(xiàn)含水率峰值,隨后逐漸減小至初始含水率。(4)發(fā)生火災時隧道襯砌外側(cè)土體的溫度場、濕度場、蒸汽場和蒸汽壓力場研究。運用fluent16.2進行數(shù)值模擬計算,建立了隧道模型,將火災熱釋放率設(shè)定為30mw和50mw,隧道內(nèi)部風速等級設(shè)定為0m/s、3m/s和5m/s,得到以下結(jié)論:a.火源產(chǎn)生的熱量沿隧道縱向和橫向的擴散范圍受到火災規(guī)模和通風速度的影響。b.發(fā)生火災后,襯砌外側(cè)土體中某一測點溫度越高,該點的水分遷移現(xiàn)象越明顯;火源熄滅后,土體中的溫度降低,原本吸收熱量發(fā)生氣化的水分釋放熱量轉(zhuǎn)化為液態(tài)水,使測點的含水率出現(xiàn)小幅上升。在水分遷移過程中存在熱量轉(zhuǎn)移,因此土體中溫度場和濕度場相互耦合。c.液態(tài)水吸收熱量發(fā)生氣化,在土體內(nèi)部形成連續(xù)分布的蒸汽場。在土體孔隙體積不變的前提下,土體溫度越高,蒸汽含量越大,且氣體分子動力勢能隨溫度升高而增大,這兩方面原因?qū)е峦馏w內(nèi)部的蒸汽壓力增大。最后,根據(jù)研究成果,對隧道襯砌在設(shè)計施工過程中提出了幾點優(yōu)化建議。如在襯砌施工時加入防水層、隔熱層以及在土體中加入起阻隔熱濕傳遞作用的格柵等措施。
【關(guān)鍵詞】：隧道火災 混凝土襯砌 導熱系數(shù) 溫度場 熱濕遷移
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U458
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 研究背景11-14
• 1.1.1 隧道火災事故統(tǒng)計11-13
• 1.1.2 隧道火災的危害13-14
• 1.2 隧道火災研究現(xiàn)狀及不足14-18
• 1.2.1 火災高溫下隧道襯砌力學性能的研究14-17
• 1.2.2 火災高溫下襯砌外側(cè)土體熱力學性能研究17-18
• 1.2.3 當前研究不足及發(fā)展趨勢18
• 1.3 火災高溫下隧道外側(cè)土體熱濕遷移的研究意義、研究內(nèi)容18-19
• 第二章 熱作用下含濕黃土的熱、濕特性19-29
• 2.1 土的熱特性19-23
• 2.1.1 土的導熱系數(shù)19-21
• 2.1.2 土的比熱容21-22
• 2.1.3 土的熱擴散系數(shù)22
• 2.1.4 土體熱傳遞的數(shù)學描述22-23
• 2.2 土的濕特性23-26
• 2.2.1 土體內(nèi)水分遷移機理25-26
• 2.2.2 土體濕傳遞的數(shù)學描述26
• 2.3 土體的熱濕遷移現(xiàn)象26-28
• 2.3.1 土體熱濕遷移機理26-27
• 2.3.2 土體熱濕遷移模型27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第三章 火災高溫下混凝土襯砌外側(cè)土體的導熱特性及其規(guī)律研究29-55
• 3.1 火災高溫下混凝土外側(cè)土體導熱系數(shù)的測定29-46
• 3.1.1 實驗準備工作29-33
• 3.1.2 土體導熱系數(shù)的測定實驗33-42
• 3.1.3 導熱系數(shù)影響因素分析42-46
• 3.2 火災高溫下混凝土外側(cè)土體的熱濕耦合遷移規(guī)律實驗研究46-49
• 3.2.1 實驗準備工作47
• 3.2.2 土樣溫度的測定47-48
• 3.2.3 土樣含水率的測定48-49
• 3.3 火災高溫下混凝土外側(cè)土體熱濕耦合遷移的相關(guān)物理參數(shù)分析49-52
• 3.3.1 土樣溫度變化及分析49-50
• 3.3.2 土樣含水率變化及分析50-52
• 3.4 火災高溫下混凝土外側(cè)土體的熱濕遷移的過程分析52-53
• 3.5 本章小結(jié)53-55
• 第四章 熱濕耦合遷移過程中含濕黃土溫度場-濕度場-蒸汽壓力場分布規(guī)律55-75
• 4.1 物理模型的建立55-63
• 4.1.1 物理模型55-57
• 4.1.2 物理模型的無關(guān)性驗證57-63
• 4.2 含濕黃土熱濕遷移過程的數(shù)值模擬及結(jié)果分析63-72
• 4.2.1 含濕黃土熱濕遷移過程中溫度場分布規(guī)律63-66
• 4.2.2 含濕黃土熱濕遷移過程中濕度場分布規(guī)律66-69
• 4.2.3 含濕黃土熱濕遷移過程中蒸汽場及蒸汽壓力場的分布規(guī)律69-72
• 4.3 本章小結(jié)72-75
• 第五章 火災高溫時隧道襯砌外側(cè)含濕黃土中熱濕遷移過程及其規(guī)律研究75-103
• 5.1 隧道火災場景設(shè)定75-77
• 5.1.1 建立隧道模型75-76
• 5.1.2 設(shè)定火災場景76-77
• 5.2 30MW火災高溫下隧道襯砌外側(cè)土體中熱濕遷移過程及其規(guī)律77-86
• 5.2.1 30MW火災高溫下隧道襯砌外側(cè)土體中溫度場分布規(guī)律78-80
• 5.2.2 30MW火災高溫下隧道襯砌外側(cè)土體中濕度場分布規(guī)律80-83
• 5.2.3 30MW火災高溫下隧道襯砌外側(cè)土體中蒸汽場及蒸汽壓力場分布規(guī)律83-86
• 5.3 50MW火災高溫下隧道襯砌外側(cè)土體中熱濕遷移過程及其規(guī)律86-92
• 5.3.1 50MW火災高溫下隧道襯砌外側(cè)土體中溫度場分布規(guī)律87-89
• 5.3.2 50MW火災高溫下隧道襯砌外側(cè)土體中濕度場分布規(guī)律89-90
• 5.3.3 50MW火災高溫下隧道襯砌外側(cè)土體中蒸汽場及蒸汽壓力場分布規(guī)律90-92
• 5.4 火災的時間效應對隧道安全性的影響92-99
• 5.4.1 30MW火災高溫下襯砌外側(cè)土體溫度場隨時間的變化92-94
• 5.4.2 30MW火災高溫下襯砌外側(cè)土體濕度場隨時間的變化94-96
• 5.4.3 30MW火災高溫下襯砌外側(cè)土體蒸氣場及蒸汽壓力場隨時間的變化96-99
• 5.5 土體中蒸汽壓力分布對隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計的啟示99-101
• 5.5.1 火災高溫下土體中蒸汽壓力對隧道襯砌的影響分析100
• 5.5.2 火災高溫下土體中蒸汽壓力對于隧道設(shè)計施工的啟示100-101
• 5.6 本章小結(jié)101-103
• 第六章 結(jié)論與展望103-105
• 6.1 論文主要結(jié)論103-104
• 6.2 不足之處及展望104-105
• 參考文獻105-109
• 致謝109-111
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文及參與項目111

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本文編號：579463