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季冻区隧道冻胀力影响因素交互性及敏感性正交试验分析

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科学技术与工程 2022年第27期22卷 12183-12191页

作者：罗燕平马超黎忠灏曾斌王生赖金星邱军领冯志华四川川交路桥有限责任公司广汉618300 长安大学公路学院西安710064 河北省交通规划设计研究院石家庄050011

为探究影响季冻区隧道衬砌冻胀力各个因素的交互性及敏感性,依托承担冬奥会人员转运工作的延崇高速主线翠云山隧道,通过建立ANSYS数值模型,对冻胀率、冻融圈厚度、衬砌弹性模量等冻胀力影响因素进行了正交试验。研究结果表明:①考虑各... 详细信息

为探究影响季冻区隧道衬砌冻胀力各个因素的交互性及敏感性,依托承担冬奥会人员转运工作的延崇高速主线翠云山隧道,通过建立ANSYS数值模型,对冻胀率、冻融圈厚度、衬砌弹性模量等冻胀力影响因素进行了正交试验。研究结果表明:①考虑各个因素对冻胀力的影响时可只考虑其主效应。②融圈厚度、冻胀率、衬砌弹性模量、冻结围岩弹性模量以及未冻结围岩弹性模量均对冻胀力的影响较为显著;各因素敏感性排序为:冻结围岩弹性模量>冻胀率>未冻结围岩弹性模量>冻融圈厚度>衬砌弹性模量。③相比于原始参数,实验最优参数各部位冻胀力均有所减小且降幅均超过30%,最小降幅发生在拱顶为34.20%,并据此提出了控制冻胀力的措施,为河北地区季冻区隧道建设提供指导。

关键词：季冻区隧道冻胀力正交试验交互性敏感性

冻融循环对季冻区隧道衬砌混凝土导热系数影响研究

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隧道建设（中英文） 2020年第12期40卷 1725-1732页

作者：李伟张东淼叶飞王思宇梁晓明吉林省公路管理局吉林长春130021 长安大学公路学院陕西西安710064

为研究冻融循环作用对衬砌导热系数的改变,将混凝土简化为多孔介质模型,利用Hamilton and Crosser理论计算模型和COMSOL仿真软件对不同孔隙率的混凝土试件导热系数进行计算和分析。研究结果表明:1)通过对混凝土随机分布模型的有效导热... 详细信息

为研究冻融循环作用对衬砌导热系数的改变,将混凝土简化为多孔介质模型,利用Hamilton and Crosser理论计算模型和COMSOL仿真软件对不同孔隙率的混凝土试件导热系数进行计算和分析。研究结果表明:1)通过对混凝土随机分布模型的有效导热系数进行逆运算,得到不同冻融循环作用下不同孔隙率的混凝土模型的有效导热系数,进而确定混凝土试件有效导热系数与冻融循环次数之间呈非线性函数关系;2)衬砌导热系数在冻融循环作用下,初期导热系数随着冻融循环次数的增加而下降,中期随着冻融循环次数的逐渐增加,导热系数出现较小程度的增大。

关键词：季冻区隧道衬砌混凝土导热系数多孔介质模型孔隙率冻融循环

基于温度场的季冻区隧道冻胀机理和综合防冻技术

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公路 2016年第6期61卷 294-298页

作者：张羽张涛中国交建鹤大高速公路项目总部敦化市133700 中交公路规划设计院有限公司北京市100088

季节冻土区隧道围岩温度场是导致各类冻害的关键因素,研究围岩温度分布特征是解决冻害问题的突破口。采用有限元软件建立了围岩温度场数值模型,分析沿隧道轴向深度不同断面的围岩温度变化特征;在此基础上,分析了季冻区隧道冻胀机理,并... 详细信息

季节冻土区隧道围岩温度场是导致各类冻害的关键因素,研究围岩温度分布特征是解决冻害问题的突破口。采用有限元软件建立了围岩温度场数值模型,分析沿隧道轴向深度不同断面的围岩温度变化特征;在此基础上,分析了季冻区隧道冻胀机理,并建议了综合保温措施,可为类似季节冻土区隧道保温提供借鉴。

关键词：季冻区隧道温度场分布特征测试防冻技术

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季冻区隧道防冻胀技术研究进展

北方工业大学学报 2019年第5期31卷 119-125页

作者：王李斌侯占鳌吕晓聪王雪来崔光耀北方工业大学土木工程学院北京100144 中铁隧道集团一处有限公司重庆401123

本文主要针对季冻区隧道的冻胀机理、温度场、衬砌力学性能、防冻胀措施、保温材料的研究现状展开分析.分析结果表明:季冻区隧道主要应用三大冻胀模型研究围岩、衬砌的冻胀机理,但三大冻胀模型研究各有缺陷,亟待研究新型冻胀模型;季冻... 详细信息

本文主要针对季冻区隧道的冻胀机理、温度场、衬砌力学性能、防冻胀措施、保温材料的研究现状展开分析.分析结果表明:季冻区隧道主要应用三大冻胀模型研究围岩、衬砌的冻胀机理,但三大冻胀模型研究各有缺陷,亟待研究新型冻胀模型;季冻区隧道温度场主要考虑围岩稳态、瞬态条件下温度变化,对于低温相变围岩隧道温度场研究不够全面;季冻区隧道防冻胀技术发展较早且综合措施较多,但实际防冻胀效果欠佳,需研究更为成熟的防冻胀技术;冻融循环对于衬砌力学性能影响、新型保温材料开发是当前亟待解决的关键问题.

关键词：季冻区隧道防冻胀技术冻胀机理温度场

基于温度场的高海拔季冻区隧道防排水措施优化研究

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基于温度场的高海拔季冻区隧道防排水措施优化研究

作者：侯宗豪西南交通大学

学位级别：硕士

季节性冻土约占我国国土面积的53%,在我国北部、西北地区以及青藏高原均有广泛分布。随着我国以交通工程为代表的基础设施建设快速推进,穿越季冻区的隧道数量迅速增加,冻害现象时有发生,严重影响正常的交通运行及隧道行车安全,带来庞大... 详细信息

季节性冻土约占我国国土面积的53%,在我国北部、西北地区以及青藏高原均有广泛分布。随着我国以交通工程为代表的基础设施建设快速推进,穿越季冻区的隧道数量迅速增加,冻害现象时有发生,严重影响正常的交通运行及隧道行车安全,带来庞大的整治成本。为此,明确隧道冻害发生基本条件、主控因素及危害程度,探明季冻区隧道温度场时空分布规律,并针对性地对防排水措施进行合理的优化,减少季冻区隧道冻害的产生具有重要意义。本文以西察公路关角山隧道为依托工程,采用文献调研、现场监测、数值模拟与数理统计等研究手段,探明了隧道冻害发生基本条件、主控因素以及危害程度,分析了季冻区隧道温度场时空分布规律,研究了热流固耦合条件下多影响因素对中心水沟最低水温的影响规律,对各影响因素进行了敏感性分析,并采用多元回归线性分析,得到了中心水沟埋置深度的优化解,最后提出了解决防排水体系排水不畅问题的新型防排水结构并对其过水能力进行了验证,主要研究成果如下:(1)通过对文献与典型案例的调研,明确了地下水赋存与负温环境是引起隧道冻害的根本原因,我国隧道冻害的发生绝大多数来源于防排水措施失效,造成水在衬砌背后或排水系统内部发生冻结;(2)通过对现场长期监测数据的分析,获取了隧址区的风速风向条件与气温条件,并根据对隧道内气的温横纵断分析以及对地温与中心水沟水温的分析得到了季冻区隧道施工期的温度场分布规律;(3)结合实际工程建立了季冻区隧道“空气-衬砌-围岩”热流固耦合三维数值计算模型,得到了季冻区隧道运营期温度场时空分布规律,在此基础上建立了中心水沟水温计算简化模型,并验证了简化模型水温计算的有效性;(4)采用单因素循环法研究了中心水沟最低水温随各影响因素的变化规律,结果表明:水沟坡度、水沟埋深、初始水温、水沟水深与最冷月气温对中心水沟最低水温的影响均为正相关。基于灰色关联的中心水沟最低水温影响因素敏感性排序为:水沟埋深>最冷月气温>水沟水深>初始水温>水沟坡度;(5)基于多元线性回归分析建立了中心水沟最低水温与各影响因素之间的统计模型,得到中心水沟最低水温的近似计算表达式,并以中心水沟最低水温>0℃为控制标准进一步得到了中心水沟埋置深度的优化解。(6)结合冻害的主要成因—排水不畅以及水深对中心水沟最低水温的影响效应,提出了提高隧道防排水系统过水能力的新型防排水结构并对其过水能力进行了检验,结果表明:该防排水结构能够显著防止因排水不畅造成衬砌背后水的淤积,提升中心水沟单位时间内的集水量,能够有效避免防排水内部冻害的产生。

关键词：季冻区隧道最低水温多元线性回归水沟埋置深度防排水措施优化

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季冻区朝阳隧道温度场及冻胀力研究

季冻区朝阳隧道温度场及冻胀力研究

作者：张超吉林大学

学位级别：硕士

随着我国经济的快速发展,东北地区高速公路网日趋完善,在修建高速公路的过程中,遇到多山的地形条件,隧道发挥着重要的作用。由于东北地区冬季气候寒冷,隧道围岩中水的存在,围岩中的水温度降低发生水—冰相变,使围岩发生冻结膨胀,在未冻... 详细信息

随着我国经济的快速发展,东北地区高速公路网日趋完善,在修建高速公路的过程中,遇到多山的地形条件,隧道发挥着重要的作用。由于东北地区冬季气候寒冷,隧道围岩中水的存在,围岩中的水温度降低发生水—冰相变,使围岩发生冻结膨胀,在未冻围岩及衬砌的约束下,此时衬砌会承受冻结围岩变形而产生的冻胀力,从而发生一系列冻害,威胁行驶车辆及人的生命安全,阻碍交通正常运行。因此,季冻区隧道的冻害机理研究与防治是十分必要的。通过对季冻区发生冻害现象隧道的研究,表明围岩的温度场分布以及由于围岩冻胀对衬砌产生的冻胀力是影响隧道冻害的主要原因;本文以季冻区鹤大高速公路朝阳隧道为依托工程,采用室内试验、现场监测、理论分析以及数值模拟的方法来研究温度场及冻胀力;通过现场监测及室内试验确定相关参数,数值模拟分析朝阳隧道围岩温度场的分布规律并为冻胀力的计算提供冻结深度参数;采用弹性力学理论计算以及热—结构间接耦合数值模拟的方法对冻胀力的分布规律及影响因素进行研究;通过对温度场和冻胀力的研究,对隧道防冻害提供理论参考。主要结论如下:导热系数随着花岗片麻岩含水率的增大,先增大,达到饱和后再减小;天然含水状态花岗片麻岩的导热系数在一定温度范围内（-15℃0℃）,随着温度的降低先增大后减小;由饱和花岗片麻岩的冻胀性实验,从室温降到-40℃的过程中,花岗片麻岩的冻胀变形主要分为四个阶段:冷缩阶段、冻胀阶段、冻缩阶段、稳定阶段,并确定花岗片麻岩的线冻胀率为0.045%;通过大型有限元模拟软件模拟计算朝阳隧道围岩温度场,得到围岩温度分布规律与现场监测得出的规律一致。朝阳隧道三个断面围岩的最大冻深分别为2.5m（距洞口30m）,2.0m（距洞口60m）,1.5m（距洞口90m）;保温层厚度不同,对朝阳隧道围岩温度场的保温效果不同,相同保温层厚度,隧道洞口段距离洞口越远的断面围岩的保温效果越好。因此,在隧道的防冻措施中,建议洞口段靠近洞口的位置布设较厚的保温层;根据对朝阳隧道围岩裂隙的监测,以及花岗片麻岩的冻胀性实验,朝阳隧道围岩（距洞口60m处围岩）的冻胀率为0.6%;根据弹性理论计算得到隧道三个断面的冻胀力为断面一（距洞口30m）0.85MPa、断面二（距洞口60m）0.76MPa、断面三（距洞口90m）0.67MPa,可以看出在隧道洞口段,随着纵向进深的增加,冻胀力减小;衬砌的冻胀力随着围岩冻结深度、冻胀率、衬砌厚度的增大而增大,其中冻结深度和冻胀率对冻胀力的影响较大,衬砌厚度对冻胀力的影响较小;不同工况下,数值模拟计算得到冻结深度、冻胀率对冻胀力量值的影响规律与弹性理论计算相符;其中衬砌所受冻胀压应力的最大值主要分布在衬砌拱脚内侧,衬砌拱腰外侧的冻胀压应力也较大,仰拱处的冻胀压应力较小。因此,在隧道的防冻措施中,建议针对隧道拱脚和拱腰处,采取相应的防护措施。

关键词：季冻区隧道温度场冻结深度冻胀力数值模拟保温防冻措施

季冻区高速公路隧道保温层铺设方法及温度场分布规律研究

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公路交通科技 2023年第5期40卷 152-161页

作者：唐波涛王兴王伟陈志国中国铁建股份有限公司中原区域总部河南郑州450000 长春工程学院土木工程学院吉林长春130012 吉林省交通科学研究所吉林长春130012

为了探索隧道温度场分布规律,合理铺设隧道保温层,采用ABAQUS建立了三维实体模型,分析了寒区隧道在周围环境等影响因素作用下洞内纵向全长及不同高度温度场分布特征及其变化规律,对不同材料的保温层铺设方案进行了效果比选,并对隧道铺... 详细信息

为了探索隧道温度场分布规律,合理铺设隧道保温层,采用ABAQUS建立了三维实体模型,分析了寒区隧道在周围环境等影响因素作用下洞内纵向全长及不同高度温度场分布特征及其变化规律,对不同材料的保温层铺设方案进行了效果比选,并对隧道铺设保温层前后的有限元温度场温度变化规律进行了对比。结果表明:隧道的温度变化梯度为每公里升高约7℃,隧道横断面最低温位于拱顶位置,隧道入口端极限低温段长度约为400 m,而出口端长度约为800 m,其中,边墙、拱顶及拱腰温度变化最明显;对于使用不同保温材料的保温层,3种保温方案的隧道围岩整体温度场趋势一致,说明使用3种材料的保温方案均有较为理想的防冻保温效果;7 cm聚氨酯9 cm酚醛的组合保温方案,相较于其他方案,其平均最低、最高温度分别由-8℃,-2℃提升至-5℃,1℃,满足隧道防冻要求,均明显优于另外两种使用单一保温材料的保温措施,总体保温效果最优。经监测数据对比及有限元模拟验证,组合保温方案完全达到隧道防冻要求,可以作为案例隧道较为理想的防冻保温措施。研究结果对确保寒区隧道通行能力和服务水平、提高道路行车安全具有重要意义,可为类似隧道的冻害处治提供行之有效的解决方法。

关键词：隧道工程季冻区隧道数值模拟温度场冻害保温层

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季冻区后崴子隧道围岩冻融损伤机制研究

季冻区后崴子隧道围岩冻融损伤机制研究

作者：刘晨吉林大学

学位级别：硕士

随着国内“一带一路”战略的深入实施,大量基础建设逐步开展,越来越多的隧道必须在高海拔、严寒等极端自然条件下建设,其中以占我国近半面积国土的季冻区域的隧道居多。由于季冻区环境温度周期性变化明显,同时隧道开挖将环境温度带入隧... 详细信息

随着国内“一带一路”战略的深入实施,大量基础建设逐步开展,越来越多的隧道必须在高海拔、严寒等极端自然条件下建设,其中以占我国近半面积国土的季冻区域的隧道居多。由于季冻区环境温度周期性变化明显,同时隧道开挖将环境温度带入隧道一定深度范围内,导致季冻区隧道轴向和径向一定范围内的围岩和衬砌出现冻融循环,出现季冻区隧道围岩的冻胀破坏、支护结构的失稳等灾害,已严重影响了隧道衬砌结构的稳定性、适用性和耐久性,严重影响隧道的行车安全,处理不慎将会造成极大的经济损失甚至威胁生命安全。与此同时,季冻区隧道工程存在的冻融损伤问题是综合性问题,需要综合考虑到岩土体冻融时应力应变、水分迁移以及热量传导,单一因素的考虑得到的结果并不满足现实情况也并不精确。因此,研究季冻区隧道围岩的破坏机理对隧道合理设计、维护与经济性具有重要意义。本文依托季冻区后崴子隧道工程,采用室内试验,理论计算和数值模拟的方法,对隧道围岩冻融损伤机制进行研究,主要内容包括:(1)通过对灰岩的冻融循环条件下的岩石物理力学试验,得到研究区域内灰岩的冻融劣化规律,建立了季冻区后崴子隧道灰岩冻融损伤模型;(2)利用扫描电镜图像获取岩石微观孔隙分形特征,对冻融循环后灰岩的微观孔隙特性以及渗透性能的相关变化进行了研究,分析后崴子隧道灰岩微观冻融损伤机理,得到了冻融循环试验对岩石微观孔隙的影响及变化特点,从微观角度得到了冻融对岩石损伤的影响机制;(3)根据后崴子隧道围岩冻胀力的计算,得到隧道围岩衬砌区、冻结区和未冻区的应力应变冻胀规律,通过对隧道围岩水热力三场耦合数值模拟,分析得到了冻融对围岩损伤的影响规律。论文研究对我国季冻区隧道工程建设乃至交通路网的顺利发展和安全性评价等方向具有很大的研究意义。

关键词：季冻区隧道冻融损伤分形理论冻胀机理多场耦合数值模拟

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季节性冻土区隧道保温层御寒保温技术研究

铁道标准设计 2018年第8期62卷 100-105页

作者：袁金秀王道远马海龙河北交通职业技术学院土木工程系石家庄050091 石家庄铁道大学土木工程学院石家庄050043 中国铁路上海局集团有限公司徐州工务段江苏徐州221000

为了满足交通的便捷和时效性,我国修建在寒区的隧道工程越来越多。针对困扰季节性寒区隧道工程的冻害问题,以季冻区桦皮岭隧道为依托,开展寒区隧道保温层御寒保温技术研究。首先,开展现场环境温度和竖直钻孔隧道洞口段围岩温度场变化监... 详细信息

为了满足交通的便捷和时效性,我国修建在寒区的隧道工程越来越多。针对困扰季节性寒区隧道工程的冻害问题,以季冻区桦皮岭隧道为依托,开展寒区隧道保温层御寒保温技术研究。首先,开展现场环境温度和竖直钻孔隧道洞口段围岩温度场变化监测,获得计算模型所需精准温度荷载及地表活动层围岩温度场受影响范围;其次,建立基于Fluent流体计算软件的"围岩-衬砌-保温层-空气"气固耦合计算模型,并通过对比现场地勘资料验证计算模型的合理性;最后,对不同保温材质、不同铺设厚度和铺挂方式进行了对比分析。结果表明:围岩温度场随外界大气温度呈近似三角函数周期变化,但"滞后效应"明显;地表活动层围岩温度受影响范围约为8 m;设置保温层处内外温度存在"跳跃"现象,内外温差最高达8℃;硬质聚氨酯保温材料较聚酚醛泡沫塑料和泡沫玻璃御寒保温效果分别提高了近20.6%和80.9%;最优保温层厚度为5 cm,最优铺挂方式为衬砌内表面铺设。

关键词：季冻区隧道保温层气固耦合温度场御寒保温