膨胀岩地区地铁隧道围岩传热特性及热效应研究

发布时间：2020-06-08 07:10

【摘要】：南宁盆地膨胀岩分布较为广泛,修建地铁必将大范围穿越膨胀岩层。地铁长期运营过程中不断产生热量,膨胀性围岩作为传蓄热的载体同时,其特性也会受到热量变化的影响。温度的长期反复变化,使得膨胀岩土内部各组成分也随之变化,改变了岩土体的材料本身性质,影响到变形、强度特性及水理性质等,使原有的内外作用力或增强或减弱,膨胀岩发生湿热迁移及体积变化。在地铁运营这一工程背景下,针对膨胀岩特殊的“热敏性”,研究膨胀性地铁围岩的传热规律及其热效应,具有十分重要的理论与实际意义。本文以南宁地铁隧道穿越的膨胀岩层为研究对象,采用工程现场调研、数据采集分析、室内机理试验和模型试验以及数值模拟等研究手段,对膨胀性围岩的“热”相关问题开展研究。对南宁地铁1、2号线共56个车站及区间的第三系泥岩的热物理指标、物理力学指标进行统计分析,运用灰色关联法分别分析各因素数列与其他物理力学参数间的敏感性。通过试验对比不同粒径范围的重塑膨胀岩与原状膨胀岩的差异,研究成果表明,进行传热特性、膨胀力试验与三轴试验时,用粒径范围0.25mm≤d0.5mm的膨胀岩团粒重塑可较好替代原状样;进行无荷载膨胀率试验时,应用团粒粒径范围1mm≤d2mm的重塑土样替代原状样。在此基础上,通过室内试验分别探究了膨胀岩三相比例、温度及膨胀率等因素对膨胀岩热物理指标的影响规律,剖析其传热特性。结果表明,重塑膨胀岩的导热系数与含水量、干密度及温度正相关,而与吸水膨胀后的变形量负相关,并结合试验结果分别建立了导热系数与含水率、干密度双参数间的关系式和不同温度条件下导热系数的计算公式。为了揭示膨胀岩的膨胀性与强度的热效应,在不同温度条件下分别对重塑膨胀岩进行了无荷载膨胀率试验、膨胀力试验和三轴试验。研究表明,膨胀岩的膨胀率和膨胀力都随着温度的升高而增加,膨胀力和温度间有较为良好的相关性,通过拟合可以得到膨胀力与温度关系式:P=AeBt;当膨胀岩土样含水率较低时,膨胀岩强度表现出“热硬化”,粘聚力c会随着温度的升高而增大,膨胀岩土样含水率较高时,膨胀岩强度表现出“热软化”,粘聚力会随着温度的升高而减小。根据南宁地铁实际工况,采用大型模型试验和数值模拟的方法研究地铁运营所产生的热量对管片和围岩的影响规律,分析不同工况下膨胀性围岩的传热规律及膨胀岩热效应对盾构管片的内力作用与形变特征,并对结果进行相互印证。研究结果显示,地铁运营2.37years～5years后,隧道围岩温度趋于稳定,围岩的热套厚度为4倍隧道直径(4D);隧道围岩的膨胀力会随着温度的升高而增加,热效应较为明显。研究成果可为今后地铁工程设计施工提供参考依据,也为地铁运营过程中膨胀性围岩的“热”相关问题提供借鉴。
【图文】：

综合研究方法,膨胀岩,研究技术,地铁隧道

本文采用综合研究方法，主要有工程现场调研、数据采集分析、机理和模型试验以逡逑及数值模拟等，对南宁地铁隧道膨胀岩围岩的传热特性及热效应进行研究。逡逑研究技术路线如图１－１所示。逡逑７逡逑

分布情况,膨胀岩,南宁,分布情况

盆地内膨胀土分布的地区主要有南宁、武鸣、邑宁、横县等，其中南宁市的膨胀逡逑岩分布在东、西部地面标高９０？１５０ｍ的垄状丘陵地带。南宁地铁１、２号线主要穿越的逡逑膨胀岩地区如图２－１所示。其岩性为灰绿、灰白色为主的湖相沉积第三系泥岩，，含有钙逡逑质团块以及铁锰结核和胶膜，有的地方层理清晰，与粉砂岩、粉细沙或砂砾层互层。逡逑；Ｖ逦丨逡逑轨逦〃一逦第三系泥岩邋１逡逑＾逦分布区逦／逡逑ｆｄ？畜牧研究所逡逑环城高速邋ｉｆ逦＇、邋Ｅ塘逡逑图逦第三系眺岩土分布区逡逑图２－１南宁膨胀岩分布情况逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｗｅｌｌｉｎｇ邋ｒｏｃｋ邋ｉｎ邋Ｎａｎｎｉｎｇ逡逑１０逡逑
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U231;U451.2

【参考文献】