寒區(qū)隧道圍巖損傷試驗研究和水熱遷移分析.pdf

1、隨著西部大開發(fā)和東北老工業(yè)基地振興，修建大量基礎(chǔ)設(shè)施勢在必行，諸如公路、鐵路及隧道工程等。我國東北和西部地區(qū)多為氣候寒冷的高山和高原地區(qū)，在這些地區(qū)修建交通基礎(chǔ)設(shè)施及其后期運營過程中，遇到了寒區(qū)特有的凍害問題。本文在國家自然科學(xué)基金(項目批準號：4037119)的支持下，針對寒區(qū)隧道凍害這一寒區(qū)最常見的工程問題展開研究，主要工作如下： (1)利用先進CT無損檢測技術(shù)，對不同凍融環(huán)境下不同巖樣的細觀損傷結(jié)構(gòu)變化進行了系統(tǒng)的試驗研究

2、。主要研究內(nèi)容為：1)提出了CT檢測的區(qū)段統(tǒng)計頻率分析法。2)針對不同凍融循環(huán)次數(shù)，對銅川砂巖和耀縣砂巖細觀損傷結(jié)構(gòu)變化進行了實驗研究，結(jié)果表明：隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，含水率：大、孔隙率高、強度低的耀縣砂巖損傷擴展較為明顯，CT均值降低；對強度高、孔隙率低的銅川硬砂巖初期影響不大，后期影響較大。3)對不同凍結(jié)溫度時銅川大理巖、銅川硬砂巖和銅川軟砂巖細觀損傷結(jié)構(gòu)變化進行了實驗研究，結(jié)果表明：‘巖石材料顆粒的熱脹冷縮和水冰相變膨脹共同決定了

3、凍融后的細觀結(jié)構(gòu)變化。4)對不同凍結(jié)速率下銅川大理巖、銅川硬砂巖和銅川軟砂巖細觀損傷結(jié)構(gòu)變化進行了實驗研究，結(jié)果表明，凍結(jié)速度對孔隙率貫通性強的巖樣細觀結(jié)構(gòu)影響不大，而對孔隙貫通性差的巖樣細觀結(jié)構(gòu)則有一定的影響。 (2)以有限差分為數(shù)值計算基礎(chǔ)，以通用商業(yè)軟件FLAC3D2.1軟件為平臺，利用其內(nèi)置的FISH語言為工具，編制了計算程序，克服了FLAC3D2.1軟件本身邊界條件不能隨時間任意變化、不能考慮相變潛熱和相變前后導(dǎo)熱系數(shù)

4、以及比熱的變化等不足。并用該程序?qū)δ澈畢^(qū)隧道進行了三維數(shù)值研究，主要研究了隧道添加保溫材料前后三維凍結(jié)規(guī)律、水冰相變溫度范圍和凍結(jié)區(qū)形成溫度對隧道圍巖凍結(jié)圈的影響。結(jié)果表明，當(dāng)取O℃作為凍結(jié)區(qū)形成溫度時，水冰相變溫度范圍越大，凍結(jié)圈厚度越大；當(dāng)取相變中間溫度作為凍結(jié)區(qū)域形成溫度時，相變范圍越大，凍結(jié)圈厚度越小。 (3)推導(dǎo)了寒區(qū)溫度場和滲流場完全耦合的控制微分方程。滲流場控制微分方程中考慮了水結(jié)冰后孔隙率變化對滲流場的影響，而溫

5、度場控制微分方程中考慮了隨水的滲流而產(chǎn)生的熱交換、水冰相變潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)與比熱在凍結(jié)前后的變化、水和巖土材料的不同熱膨脹性等因素。根據(jù)控制微分方程，推導(dǎo)了顯式有限差分格式；用FLAC3D2.1軟件內(nèi)置的FISH語言為工具，編制了可以進行雙向耦合的分析程序：最后用該程序以某寒區(qū)隧道的物理參數(shù)進行數(shù)值分析。主要研究了考慮滲流前后凍結(jié)圈和圍巖附近溫度場的變化、滲透系數(shù)對凍結(jié)圈厚度的影響、水熱耦合過程中水冰相變引起滲透系數(shù)改變對溫度場的影響，結(jié)