岩土介质在冻融过程中的温度场研究及工程应用

基于"三区域"(已冻区、正冻区和未冻区)理论,建立岩土介质在冻融过程中的温度场数学模型,并将利用有限元数值计算方法得到的结果与V.J.Lunardini等得到的经典解析解结果进行对比,验证该数学模型的正确性和可靠性。在此基础上,探讨岩土介质在冻融过程中相变潜热和正冻区的大小对温度场分布的影响,并对西藏嘎隆拉隧道围岩温度场以及保温层保温效果进行数值仿真分析。研究结果表明:采用二衬表面附设保温材料方法对隧道衬砌及围岩温度影响效果明显,在二衬表面施作6 cm厚的福利凯保温层后,衬砌和围岩不会承受冻融破坏。该研究成果对于寒区隧道冻融圈大小的确定及防寒保温措施的选用具有重要的理论和现实意义。     

季冻区隧道洞口段施工温度测试及分析

随着我国越来越多的隧道施工建设项目进入寒区或季冻区,对隧道施工期间温度分布及传播规律的研究极有意义.文章以季冻区白马隧道为背景,采用温度采集仪、记录仪以及电阻式温度计对隧道洞口段内外气温、热源以及围岩温度进行现场监测和数据采集.基于现场测试结果,分析隧道洞口段施工期间洞外、洞内气温变化规律和围岩内温度分布和传播规律,并...     

寒区隧道防冻保温层隔热作用机理及其厚度影响因素研究

针对寒冷地区公路隧道防冻保温层表面铺设,共设置了21组计算工况,通过对年周期下隧道防冻保温层、衬砌结构和围岩沿径向温度场变化以及各工况所需的防冻保温层厚度进行数值模拟计算,研究隧道防冻保温层隔热作用机理及其所需厚度的影响因素。结果表明：防冻保温层隔热作用显著,主要体现在使隧道衬砌结构和围岩年温度振幅降低上,同时年平均温度也有一定升高;随着防冻保温层铺设厚度增大,隧道衬砌结构和围岩年平均温度和年温度振幅分别呈指数函数升高和降低,相应的年最低温度也呈指数函数升高,防冻保温层厚度越大,隔热效果越好,但是隔热效率不断降低;围岩导热系数越大,导温系数越小,防冻保温层隔热效果越显著;防冻保温层所需厚度随围岩导热系数和围岩初始温度升高呈指数函数减小,随围岩导温系数升高呈对数函数增加,随年平均气温和年温度振幅升高分别呈线性减小和增加,防冻保温层厚度应综合考虑以上各因素进行计算确定。     

节能烧结砌块墙角热桥柱系统的传热模型计算

主要研究保温材料种类和厚度对墙角热桥柱系统热桥的影响规律,采用Ansys软件定量计算了保温材料为聚氨酯(PU)、模塑聚苯板(EPS)和保温抹面砂浆,保温层厚度为10 mm~40 mm时砖墙模型温度分布、热量传递的变化规律。结果表明:不对热桥进行保温处理时,在内墙与构造柱相交的地方,热流量最大,随着保温材料导热系数的增加,保温层与热桥柱接触的温度逐渐增加,随保温材料厚度的增加,保温层和热桥柱接触点的温度逐渐下降,但下降幅度逐渐减小,其综合平衡厚度为20 mm。     

寒区隧道防寒保温方案设计

寒区隧道由于低温和水的作用大多存在严重的冻害现象,在设计阶段应采取针对性的保温和防排水设计方案。以青海宁缠隧道为例,采用数值分析和工程类比的方法对洞口保温段的设置长度、保温层厚度的选取、保温材料敷设方式、保温材料的选取以及保温段防排水方案等展开研究,得到了一系列有意义的结论,对同类寒区隧道工程设计具有一定的参考价值。     

冻融引起黄土隧道洞口段应力变形分析

通过试验获得了原状黄土冻融后的强度参数,并利用有限元方法分析了冻融对黄土隧道洞口段应力及变形的影响。分析结果表明,在冻融作用下,覆土厚度和冻融次数均会对拱顶位移和拱顶上部土体水平压应力产生影响。覆土厚度越大,隧道在开挖和经历冻融后,拱顶沉降也越大;且冻融第1次后对拱顶沉降影响最大。拱顶上部土体水平压应力最大值随覆土厚度的增加而增大;距拱顶较近土体的水平压应力随冻融次数增加逐渐减小,距拱顶较远土体的水平压应力值随冻融次数增加逐渐增大。     

不同类型冻土中隧道隔热保温层铺设方式的选择

寒区隧道工程中,铺设隔热保温层可以减轻隧道冻害。隔热保温层的铺设位置不同,起到的隔热或保温效果也不同。采用有限元计算法对不同类型冻土中隔热保温层表面铺设、夹层铺设以及离壁式铺设下的围岩温度场进行了模拟,从隔热保温效果方面对3种隔热保温层铺设方式进行了对比。季节冻土受洞内与外界气温的双重影响,铺设隔热保温层无法阻止围岩冻融循环的产生;多年冻土中隔热保温层夹层铺设以及表面铺设隔热效果相差不大,但夹层铺设时,隔热保温材料遇水以及受挤压后隔热保温效果将降低,应优先采用表面铺设方式。非冻土中隔热保温层离壁式铺设的防冻效果最好,当无法采用离壁式铺设时,将隔热保温层铺设在二衬表面的防冻效果要好于隔热保温层夹层铺设,但应对拱脚位置处的防排水系统进行保温处理。     

寒区公路隧道保温层厚度的相变温度场研究

 寒区公路隧道一般要受到季节性冻融冻胀作用的影响，因而不可避免地引起一系列的隧道病害问题，不仅影响隧道的正常使用，而且危及结构的长期运营安全性。结合寒区公路隧道气候特点，选择外敷保温材料作为隧道的抗防冻措施；采用相变温度场有限元模型，对不同材料及厚度保温材料性能进行对比分析，并采用现场跟踪测试手段，研究保温层施作后围岩及衬砌的温度场分布，对保温材料的性能进行现场验证，给出了合适的寒区隧道保温层材料及厚度。     

高压、浅埋隧道进洞施工技术

西汉高速公路铁炉沟隧道下行线全长1458m，进口位于两座山间的沟谷中，洞口段浅埋偏压严重，位于第四系残坡积层内。洞身一侧岩性为含碎石、角砾粘质粘土，厚度为8～20m，另一侧为中厚度白云岩，风化严重，洞内涌水量150m^3／d。洞口浅埋段全长120m，埋深0～12m。如何根据地形、围岩地质的基本特性，确定合理、快捷的施工方法，顺利穿过偏压、浅埋段，是该隧道施工的关键。     

考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究

 基于流体力学、传热学和空气动力学的基本原理与方法,推导出考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场模型,该模型包括：围岩温度场控制方程、隧道内风温场控制方程以及风流场湍流控制方程。在此基础上,采用数值分析方法探讨西藏嘎隆拉隧道通风条件下围岩温度场的变化规律及其防寒保温措施。研究结果表明：隧道未开挖前,随着季节的变化,山体浅部温度出现明显变化,该变化较明显的深度为18 m,当岩体埋深大于18 m后,岩体温度随季节的变化幅值小于0.5 ℃;隧道贯通后,由于通风影响,在环境温度最冷月(1月),隧道进出口段一定范围内的围岩温度出现了0 ℃以下的不利工况,进一步研究显示：在嘎隆拉隧道进口端600 m和出口端400 m范围内,二衬表面敷设6 cm厚的聚酚醛保温材料,可以有效地防止嘎隆拉隧道衬砌和围岩发生冻融破坏。     

节能烧结砌块砌体热桥保温处理与传热模型计算

热桥是节能烧结砌块使用过程中最容易出现的问题,保温材料常用于热桥部位的处理以减少热损失,为研究保温材料种类和厚度对节能烧结砌块热桥的影响规律,采用Ansys软件定量计算了聚氨酯(PU)、模塑聚苯板(EPS)和保温抹面砂浆在10 mm~40 mm范围内对模型温度分布、热量传递的变化规律,结果表明:不对热桥进行处理时,在内墙与构造柱相交的地方,热流量最大,随着保温材料导热系数的增加,保温层与热桥柱接触的温度逐渐增加,随保温材料厚度的增加,保温层和热桥柱接触点的温度逐渐下降,但下降幅度逐渐减小,其综合平衡厚度为20 mm。     

冻融作用下冰碛体剪切特性与围岩压力研究

冰碛体是由冰川作用搬运大量碎屑物质堆积形成的特殊岩土体。受赋存的地理及气候条件影响,冻融作用会对穿越该类围岩的隧道尤其是洞口段的工程建设带来挑战。笔者调研了中国西藏地区冰碛体围岩地质条件,设置冻融循环直剪试验研究了冻融循环次数与含水率对冻结冰碛体的力学特性和力学指标影响,引入冻融次数与含水率综合参数K,拟合得出黏聚力c公式。结果表明：冻融循环和含水率对冰碛体黏聚力c有较大影响。改进了太沙基理论,提出了适用于冰碛体围岩隧道洞口段的围岩压力计算公式。以昌林铁路某隧道为例,计算不同条件下的围岩压力,验证了公式的合理性。研究发现：冻融循环和含水率是影响冰碛体力学性能变化的重要因素,冻融作用对洞口段隧道围岩压力有不同程度的影响,在工程建设中应充分考虑。     

深埋隧道溶洞岩体防突层安全厚度研究

为防治深埋岩溶隧道开挖诱发的围岩突水灾害,文中依托巫镇高速笔架山隧道,在考虑溶洞水压条件下研究了充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离以及不同埋深时隧道围岩塑性区变化规律。研究结果表明,溶洞位于隧道底部时洞内水压对岩体支护作用最为显著,但该位置的防突层安全厚度受隧道埋深影响最大;溶洞位于隧道顶部时防突层安全厚度对隧道安全影响最大;防突层安全厚度随着隧道埋深的增大而增加;计算所得最小安全厚度为3.9～13.1m,在任意位置情况下,防突层安全厚度均随隧道埋深增大而增加,该预测模型可为隧道突水灾害防治提供参考。     

高海拔严寒地区特长公路隧道保温层铺设长度研究

随着我国西部大开发的不断深入,在高海拔严寒地区规划和修建的隧道工程越来越多,且隧道长度越来越长。洞口段合理的保温层铺设长度是高海拔严寒地区特长隧道抗冻设计与建设的关键问题。目前,我国对高海拔严寒地区特长隧道纵向温度分布规律尚无系统研究,保温层铺设长度多以经验计算或工程类比为主。以G317线雀儿山隧道为例,参考鹧鸪山隧道竣工通车后洞口段现场实测温度数据变化规律,对雀儿山隧道洞口段保温层铺设长度进行分析。结果表明:确定寒区隧道保温层铺设段长度时,特别是对于特长隧道,应考虑隧道内年平均温度的变化以及温度振幅的衰减;按照鹧鸪山隧道的年平均气温和洞内气温年振幅实测数据变化幅度,考虑1.2的安全系数,建议雀儿山隧洞口保温层铺设长度取为900 m。事实上,保温层铺设长度与隧道曲线形式、隧道长度、海拔高度、地热梯度以及隧道交通量、断面、交通模式、通风模式等诸多因素有关,因此,高海拔严寒地区特长隧道保温层铺设长度有待进一步通过现场实测数据进行对比分析研究。     

高海拔严寒地区特长公路隧道保温层铺设长度

我国西北地区规划地修建的隧道在西北高海拔、严寒地区越来越常见,并且规模越来越大,长度也逐渐增加.在高海拔和严寒地区对隧道洞口段采用合理的保温措施达到保温的目的,是隧道防冻设计的决定性方向.现深入分析长隧道和特长隧道的纵向温度分布规律和分段防冻数值,得出保温层合理的铺设长度和厚度,为后期的隧道施工提供可靠的技术支撑.     

青藏铁路多年冻土隧道围岩季节活动层温度及响应的试验研究

高原多年冻土区隧道的修建,将不可避免地影响到隧道背后多年冻结围岩的热稳定性,并形成季节融化与冻结的活动层。结合青藏铁路二期工程格尔木—拉萨段风火山隧道修建,选取11个断面对多年冻土隧道开挖直到贯通引起隧道冻结围岩体的热学响应规律进行深入的现场试验研究。现场试验结果表明：（1）隧道背后围岩地温随时间及深度呈线性变化趋势。（2）施工期间,因受人为热源影响,围岩冻融范围超过该地区天然冻土上限值。有些断面隧道背后围岩融化深度超过5m,远远超过该地区天然冻土上限值（1.36～2.11m）。分析结果表明,其围岩融化范围与多年冻土上限的比值,随着洞内温度与洞外温度比值呈现线性变化。（3）贯通后,良好的保温措施使得围岩冻融圈范围小于天然冻土上限,且其围岩融化范围与多年冻土上限的比值,随着围岩表面温度与隧道洞外温度比值也呈现线性变化。     

新型铁路隧道门洞口段结构受力特征现场试验研究

现有的铁路隧道洞门的设计只是经验性地照搬标准图的模式,而对新型隧道门的研究是必要的。一种新型隧道门在满足它的美学效果、环境保护等功能外,更重要的是应保证隧道洞口结构受力后的安全性。对采用新型隧道门的洞口段围岩压力和衬砌内力进行现场测试,并将单线斜切式隧道门洞口段的现场试验结果与模型试验和有限元数值计算结果进行比较,探讨了洞口段围岩压力分布和衬砌结构受力特征。研究结果表明:斜切式隧道门洞口段围岩压力和衬砌内力从洞口向洞内逐渐增大,其大小随覆盖层厚度增大而增大,围岩压力在仰拱处最大;衬砌结构处于复杂的三维受力状态,既有横向轴力、弯矩,又有纵向轴力、弯矩,其受力特征类似于壳体结构,因此,按壳体结构设计比较合理。     

冻融循环下隧道非冻土段底部融沉变形规律

为研究寒区隧道非冻土段在冻融循环条件下的底部融沉规律以及洞内不同的气温对隧道底部融沉变形的影响.利用温度场解析解确定非冻土段范围,采用有限元进行建模计算.计算结果显示:在冷空气作用下,原来处于非冻结状态的围岩开始发生冻结,并产生向上的冻胀位移,表层围岩的冻融位移最大,初期最大冻胀位移可达8 mm,随着洞内气温的周期性变...     

冻融作用下黄土隧道洞口段应力问题研究

通过应用ABAQUS数值模拟方法,分析了冻融作用下黄土隧道洞口段水平应力和竖直应力的变化情况,研究得出:在历经冻融循环作用后,黄土隧道洞口段最大水平拉应力和最大水平压应力均逐渐减小。随着冻融次数的增加,隧道拱顶水平压应力、底面中部水平压应力、最大水平拉应力及最大水平压应力均逐渐减小,而拱顶竖直压应力与最大竖直压应力也逐渐减小。可知,冻融作用对黄土隧道拱顶处的竖向承载能力产生了一定的削弱作用。     

考虑衬砌和隔热层的寒区隧道温度场解析解

将隧道非齐次的瞬态传热分解为周期函数边界下的瞬态传热和恒温边界下的稳态传热,利用分离变量与Laplace变换相结合的方法,求解有保温隔热层的寒区隧道瞬态温度场的显式解析解。根据能量守恒,建立隧道洞内气体的气–固耦合传热模型,并获得洞内气体年平均温度和温度振幅的显式解析解。衬砌温度影响因素分析表明,随着隧道埋深和年平均气温的增加,二衬内、外两侧的温度呈线性增加,当年平均气温低于0℃,季冻区隧道埋深小于80m时,5cm厚隔热层很难单独满足防寒需求,应与主动供暖措施联合;随着隔热层厚度的增加,二衬的温度呈增长趋势,但增长速率却逐渐减小;当隔热层厚度超过5cm时,通过增加隔热层厚度来提高衬砌温度要考虑其经济性。依据隧址区的气候及地形条件,采用工程类比和解析解相结合的方法分段计算隔热层厚度。与实测值对比结果表明,理论解满足工程精度要求。