本文關(guān)鍵詞：寒區(qū)多年凍土隧道融沉變化規(guī)律及熱害處治措施研究

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【摘要】：在寒區(qū)多年凍土隧道的建設(shè)和運營中會遇到凍脹和融沉兩大病害。本文圍繞多年凍土地區(qū)隧道工程的融沉問題,通過理論推導(dǎo)、經(jīng)驗歸納和數(shù)值模擬方法對融沉變形規(guī)律和熱害處治措施展開研究,得到了如下研究成果:1.在參考大量寒區(qū)隧道的地溫、內(nèi)外氣溫的監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過函數(shù)擬合的方法分別得到了在兩年施工工況下隧道某斷面中心點處的溫度變化函數(shù)和在50年運營工況下隧道某斷面中心點處的溫度變化函數(shù);2.在考慮水的相變影響的基礎(chǔ)上,通過理論推導(dǎo)的方法得到了凍土溫度場、應(yīng)力場和應(yīng)變場基本方程,建立了多年凍土隧道二維熱學(xué)、力學(xué)數(shù)值模型,實現(xiàn)了多年凍土隧道溫度場和應(yīng)變場的耦合計算;3.當多年凍土隧道圍巖分別為15%含水率的亞砂土、25%含水率的粉質(zhì)黏土和15%含水率的全風化砂巖時,利用ansys數(shù)值模擬軟件,分別模擬了在三種類型圍巖情況下隧道的溫度場和應(yīng)變場,得到了融沉圈深度隨時間的變化規(guī)律,確定了25%含水率的粉質(zhì)黏土為最不利的凍土類型、隧道拱頂段為最不利的位置和在運營第16年時融沉深度最大;4.針對多年凍土隧道在施工和運營兩種工況下熱害問題提出了相應(yīng)的處治措施,并利用ansys數(shù)值模擬軟件對處于最不利凍土類型(25%含水率的粉質(zhì)黏土)時襯砌表面敷設(shè)隔熱層后的溫度場和應(yīng)變場進行了模擬分析,得到了新建隧道的最優(yōu)的隔熱方案——在施工期間敷設(shè)8cm隔熱層在初期支護和二次襯砌之間,在運營階段盡快對融沉區(qū)二次襯砌一般段(拱腰、邊墻、仰拱段)表面敷設(shè)2cm隔熱層,拱頂段需要采用隔熱性能比硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料更優(yōu)的保溫隔熱材料,或者在不影響隧道凈空的情況下敷設(shè)變截面或不等厚度的隔熱層,拱頂隔熱層厚度可取保守值5cm,既達到了保護多年凍土熱平衡和隔熱保溫的目的,又滿足經(jīng)濟實用要求。
【關(guān)鍵詞】：多年凍土隧道 融沉變形規(guī)律 熱害 隔熱層 溫度場 應(yīng)變場
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U457.2;TU445
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 背景和意義10-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 凍土的研究13-15
• 1.2.2 寒區(qū)工程融沉病害的研究15-16
• 1.2.3 隧道溫度場的研究16
• 1.2.4 寒區(qū)多年凍土隧道熱害處治措施研究16-18
• 1.3 本文的主要工作及技術(shù)路線18-20
• 1.3.1 主要工作18-19
• 1.3.2 技術(shù)路線19-20
• 第二章 寒區(qū)多年凍土隧道融沉變形模型理論研究20-40
• 2.1 凍土的特性20-24
• 2.1.1 凍土的分布20-21
• 2.1.2 熱融作用引起的冰緣地貌形態(tài)21-22
• 2.1.3 凍土的上限、下限與地溫22-23
• 2.1.4 凍土的含冰量23-24
• 2.2 隧道溫度場影響因素分析24-26
• 2.2.1 外界大氣溫度24-25
• 2.2.2 機動車散熱25
• 2.2.3 隧道內(nèi)附屬設(shè)備散熱25
• 2.2.4 通風25
• 2.2.5 隧道與圍巖傳熱25
• 2.2.6 圍巖內(nèi)傳熱25-26
• 2.2.7 豎井及橫通道的影響26
• 2.2.8 隧道長度26
• 2.2.9 施工活動26
• 2.3 寒區(qū)多年凍土隧道內(nèi)施工和運營工況下的溫度變化規(guī)律26-30
• 2.3.1 寒區(qū)隧道洞內(nèi)溫度變化規(guī)律26-28
• 2.3.2 寒區(qū)多年凍土隧道在施工工況下溫度變化規(guī)律28-29
• 2.3.3 寒區(qū)多年凍土隧道在運營工況下溫度變化規(guī)律29-30
• 2.4 隧道襯砌傳熱物理模型30
• 2.5 溫度場基本方程30-35
• 2.5.1 土壤溫度場基本方程30-33
• 2.5.2 隧道凍融溫度場的有限元方程33-35
• 2.6 凍土應(yīng)力應(yīng)變場的基本方程35-38
• 2.7 小結(jié)38-40
• 第三章 寒區(qū)多年凍土隧道圍巖產(chǎn)生融沉數(shù)值模擬40-65
• 3.1 凍土融沉現(xiàn)象40
• 3.2 模型中材料參數(shù)的選取40-46
• 3.2.1 混凝土熱物理參數(shù)40-41
• 3.2.2 圍巖的熱物理參數(shù)41-42
• 3.2.3 總傳熱系數(shù)的確定42-46
• 3.3 模型的建立46-50
• 3.3.1 計算區(qū)域的確定47-48
• 3.3.2 邊界條件的確定48-49
• 3.3.3 初始條件的確定49-50
• 3.4 隧道圍巖溫度場預(yù)測結(jié)果和分析50-56
• 3.5 隧道圍巖應(yīng)變場計算56-59
• 3.5.1 計算流程圖56-58
• 3.5.2 材料力學(xué)參數(shù)表58-59
• 3.6 隧道圍巖應(yīng)變場預(yù)測結(jié)果與分析59-64
• 3.7 小結(jié)64-65
• 第四章 寒區(qū)多年凍土隧道熱害處治措施研究65-83
• 4.1 一般隧道熱害處治措施65-68
• 4.1.1 通風散熱方案65-66
• 4.1.2 人工制冷方案66-67
• 4.1.3 炮孔冷卻及灑水降溫方案67
• 4.1.4 HEMS系統(tǒng)降溫方案67
• 4.1.5 熱一電一乙二醇降溫方案67
• 4.1.6 隔熱方案67-68
• 4.2 寒區(qū)多年凍土隧道熱害處治措施68-71
• 4.2.1 寒區(qū)多年凍土隧道施工工況下熱害處治措施68-69
• 4.2.2 寒區(qū)多年凍土隧道運營工況下熱害處治措施69-71
• 4.3 數(shù)值模擬不同隔熱層厚度情況下的隔熱效果71-81
• 4.4 小結(jié)81-83
• 第五章 結(jié)論與展望83-86
• 5.1 結(jié)論83-84
• 5.2 展望84-86
• 參考文獻86-90
• 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果90-91
• 致謝91

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本文編號：900582