寒区多年冻土隧道融沉变化规律及热害处治措施研究

发布时间：2017-09-22 11:31

  本文关键词：寒区多年冻土隧道融沉变化规律及热害处治措施研究

  更多相关文章： 多年冻土隧道 融沉变形规律 热害 隔热层 温度场 应变场

【摘要】：在寒区多年冻土隧道的建设和运营中会遇到冻胀和融沉两大病害。本文围绕多年冻土地区隧道工程的融沉问题,通过理论推导、经验归纳和数值模拟方法对融沉变形规律和热害处治措施展开研究,得到了如下研究成果:1.在参考大量寒区隧道的地温、内外气温的监测数据的基础上,通过函数拟合的方法分别得到了在两年施工工况下隧道某断面中心点处的温度变化函数和在50年运营工况下隧道某断面中心点处的温度变化函数;2.在考虑水的相变影响的基础上,通过理论推导的方法得到了冻土温度场、应力场和应变场基本方程,建立了多年冻土隧道二维热学、力学数值模型,实现了多年冻土隧道温度场和应变场的耦合计算;3.当多年冻土隧道围岩分别为15%含水率的亚砂土、25%含水率的粉质黏土和15%含水率的全风化砂岩时,利用ansys数值模拟软件,分别模拟了在三种类型围岩情况下隧道的温度场和应变场,得到了融沉圈深度随时间的变化规律,确定了25%含水率的粉质黏土为最不利的冻土类型、隧道拱顶段为最不利的位置和在运营第16年时融沉深度最大;4.针对多年冻土隧道在施工和运营两种工况下热害问题提出了相应的处治措施,并利用ansys数值模拟软件对处于最不利冻土类型(25%含水率的粉质黏土)时衬砌表面敷设隔热层后的温度场和应变场进行了模拟分析,得到了新建隧道的最优的隔热方案——在施工期间敷设8cm隔热层在初期支护和二次衬砌之间,在运营阶段尽快对融沉区二次衬砌一般段(拱腰、边墙、仰拱段)表面敷设2cm隔热层,拱顶段需要采用隔热性能比硬质聚氨酯泡沫塑料更优的保温隔热材料,或者在不影响隧道净空的情况下敷设变截面或不等厚度的隔热层,拱顶隔热层厚度可取保守值5cm,既达到了保护多年冻土热平衡和隔热保温的目的,又满足经济实用要求。
【关键词】：多年冻土隧道 融沉变形规律 热害 隔热层 温度场 应变场
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U457.2;TU445
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 背景和意义10-13
• 1.2 国内外研究现状13-18
• 1.2.1 冻土的研究13-15
• 1.2.2 寒区工程融沉病害的研究15-16
• 1.2.3 隧道温度场的研究16
• 1.2.4 寒区多年冻土隧道热害处治措施研究16-18
• 1.3 本文的主要工作及技术路线18-20
• 1.3.1 主要工作18-19
• 1.3.2 技术路线19-20
• 第二章 寒区多年冻土隧道融沉变形模型理论研究20-40
• 2.1 冻土的特性20-24
• 2.1.1 冻土的分布20-21
• 2.1.2 热融作用引起的冰缘地貌形态21-22
• 2.1.3 冻土的上限、下限与地温22-23
• 2.1.4 冻土的含冰量23-24
• 2.2 隧道温度场影响因素分析24-26
• 2.2.1 外界大气温度24-25
• 2.2.2 机动车散热25
• 2.2.3 隧道内附属设备散热25
• 2.2.4 通风25
• 2.2.5 隧道与围岩传热25
• 2.2.6 围岩内传热25-26
• 2.2.7 竖井及横通道的影响26
• 2.2.8 隧道长度26
• 2.2.9 施工活动26
• 2.3 寒区多年冻土隧道内施工和运营工况下的温度变化规律26-30
• 2.3.1 寒区隧道洞内温度变化规律26-28
• 2.3.2 寒区多年冻土隧道在施工工况下温度变化规律28-29
• 2.3.3 寒区多年冻土隧道在运营工况下温度变化规律29-30
• 2.4 隧道衬砌传热物理模型30
• 2.5 温度场基本方程30-35
• 2.5.1 土壤温度场基本方程30-33
• 2.5.2 隧道冻融温度场的有限元方程33-35
• 2.6 冻土应力应变场的基本方程35-38
• 2.7 小结38-40
• 第三章 寒区多年冻土隧道围岩产生融沉数值模拟40-65
• 3.1 冻土融沉现象40
• 3.2 模型中材料参数的选取40-46
• 3.2.1 混凝土热物理参数40-41
• 3.2.2 围岩的热物理参数41-42
• 3.2.3 总传热系数的确定42-46
• 3.3 模型的建立46-50
• 3.3.1 计算区域的确定47-48
• 3.3.2 边界条件的确定48-49
• 3.3.3 初始条件的确定49-50
• 3.4 隧道围岩温度场预测结果和分析50-56
• 3.5 隧道围岩应变场计算56-59
• 3.5.1 计算流程图56-58
• 3.5.2 材料力学参数表58-59
• 3.6 隧道围岩应变场预测结果与分析59-64
• 3.7 小结64-65
• 第四章 寒区多年冻土隧道热害处治措施研究65-83
• 4.1 一般隧道热害处治措施65-68
• 4.1.1 通风散热方案65-66
• 4.1.2 人工制冷方案66-67
• 4.1.3 炮孔冷却及洒水降温方案67
• 4.1.4 HEMS系统降温方案67
• 4.1.5 热一电一乙二醇降温方案67
• 4.1.6 隔热方案67-68
• 4.2 寒区多年冻土隧道热害处治措施68-71
• 4.2.1 寒区多年冻土隧道施工工况下热害处治措施68-69
• 4.2.2 寒区多年冻土隧道运营工况下热害处治措施69-71
• 4.3 数值模拟不同隔热层厚度情况下的隔热效果71-81
• 4.4 小结81-83
• 第五章 结论与展望83-86
• 5.1 结论83-84
• 5.2 展望84-86
• 参考文献86-90
• 攻读学位期间取得的研究成果90-91
• 致谢91

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本文编号：900582