寒區(qū)隧道圍巖損傷試驗(yàn)研究和水熱遷移分析.pdf

1、隨著西部大開(kāi)發(fā)和東北老工業(yè)基地振興，修建大量基礎(chǔ)設(shè)施勢(shì)在必行，諸如公路、鐵路及隧道工程等。我國(guó)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(yùn)營(yíng)過(guò)程中，遇到了寒區(qū)特有的凍害問(wèn)題。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：4037119)的支持下，針對(duì)寒區(qū)隧道凍害這一寒區(qū)最常見(jiàn)的工程問(wèn)題展開(kāi)研究，主要工作如下： (1)利用先進(jìn)CT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)不同凍融環(huán)境下不同巖樣的細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究

2、。主要研究?jī)?nèi)容為：1)提出了CT檢測(cè)的區(qū)段統(tǒng)計(jì)頻率分析法。2)針對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)，對(duì)銅川砂巖和耀縣砂巖細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度低的耀縣砂巖損傷擴(kuò)展較為明顯，CT均值降低；對(duì)強(qiáng)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(duì)不同凍結(jié)溫度時(shí)銅川大理巖、銅川硬砂巖和銅川軟砂巖細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(xì)觀結(jié)構(gòu)變化。4)對(duì)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(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，凍結(jié)速度對(duì)孔隙率貫通性強(qiáng)的巖樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響不大，而對(duì)孔隙貫通性差的巖樣細(xì)觀結(jié)構(gòu)則有一定的影響。 (2)以有限差分為數(shù)值計(jì)算基礎(chǔ)，以通用商業(yè)軟件FLAC3D2.1軟件為平臺(tái)，利用其內(nèi)置的FISH語(yǔ)言為工具，編制了計(jì)算程序，克服了FLAC3D2.1軟件本身邊界條件不能隨時(shí)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(jìn)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(duì)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(shí)，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(shí)，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(chǎng)和滲流場(chǎng)完全耦合的控制微分方程。滲流場(chǎng)控制微分方程中考慮了水結(jié)冰后孔隙率變化對(duì)滲流場(chǎng)的影響，而溫

5、度場(chǎng)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(yǔ)言為工具，編制了可以進(jìn)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(jìn)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(chǎng)的變化、滲透系數(shù)對(duì)凍結(jié)圈厚度的影響、水熱耦合過(guò)程中水冰相變引起滲透系數(shù)改變對(duì)溫度場(chǎng)的影響，結(jié)