《探讨寒区隧道冻胀力计算分析[公路隧道]》由会员分享，可在线阅读，更多相关《探讨寒区隧道冻胀力计算分析[公路隧道]（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、公路隧道 2 0 1 2 年 第 期 总第 7 7期 寒 区隧道冻胀力计算分析 顾博渊 姚红志 中交第一公路勘察设计研究院有限公司西安7 1 0 0 7 5 摘 要鹤大高速小沟岭 黑吉界 至抚松段项 目区最低月平均气温约零下 2 7 C 根据规范要求当月平均气温低 于零下 1 5 C时 须考虑围岩冻胀力的影响 由于目前周内隧道设计对如何合理计算冻胀力尚无理论经验 规范也 无相关规定 根据本项目特点 结合近年来寒区隧道科研成果对项 目区隧道冻胀力进行计算 借助有限差分软件 基于热力耦合模式 定量分析了冻胀力的大小 分布规律及隧道衬砌应力状态 为下阶段设计提供依据 也可为同 类工程提供参考 关键词
2、寒区隧道冻胀力计算分析 1 引 言 鹤岗至大连高速公路小沟岭 黑吉界 至抚松段 公路工程位于我 国东北吉林地 区 项 目区 自然气候 寒冷 年平均气温 4 3 C 极端最低气温3 7 7 最低月平均气温 一2 7 4 根据国内现行的公路隧 道和铁路隧道设计规范要求 最冷月平均气温低于 一 l 5 地区的隧道应考虑冻胀力 冻胀力可根据 当 地 自然条件 围岩冬季含水量及排水条件 等通过研 究确定 该 条文仅做 了原则性 的规定 对 于如何 考虑冻胀力以及具体的计算方法均未作相应规定 导致该条文缺乏可操作性 这也体现了国内寒 区隧 道设计对于冻胀力理论经验的缺乏 冻土 岩 相对未冻土 岩 体和隧道
3、衬砌产生体 积膨胀 当体积膨胀 受到约束 时将 会产生冻胀力 根据前苏联有关资料 当岩石裂隙中有水侵入 冻结 时可能产生 的冻胀力为 1 5 MP a 当采用封闭容器 即在没 有 体积 膨 胀 的条 件 下测 得 冰 的冻 胀力 为 2 1 1 MP a 从以上资料来看 冻胀力 的数值可以大得 惊人 但它又和约束 条件有关 在东北林 区铁路嫩 林线 朝 阳 2号 隧 道 现 场 实 测 的 冻 胀 力 2 5 2 0 0 kPa 设计中如果过大的考虑冻胀力的影响将会使得 隧道工程的造价增加过多 但如果过小估计冻胀力 的影响 则会对隧道衬砌结构的安全带来隐患 因 此如何合理确定冻胀力 的大小 成
4、为 了本项 目设计 的关 键 2 国内外冻胀 力研 究成果 目前对于冻胀力 的研究 国内外主要存在 3种 理论学说 分别为大阪 山隧道冻胀力研究 中提出的 1 f 冻融圈整体冻胀学说 该学说认为 冻结区中嗣岩均 匀孔隙中充满地下水 冻胀压力 系冻融 圈冻结后整 体膨胀所致 并假定 围岩和衬砌均 为同心 圆断面的 弹性体 采用弹性力学方法推导出相应 的冻胀压力 理论计算公式 青藏线高寒隧道冻胀力研究中提出的积水冻胀 学说 该学说认 为 对岩石隧道 由于喷射混凝土和 钢架施工的表面不平顺 防水板铺设 以及混凝土浇 筑工艺等原因 支护衬砌背后与围岩之问局部存水 空间普遍存在 一旦结 冰即产生冻胀力
5、但 由于岩 石本身的冻胀几乎可 以忽略不计 围岩的冻胀压力 主要凶存水空间内的地下水 冻结 时 体积膨胀受到 围岩和支护衬砌的约束所致 日本在对北海道 我国东北地 区的大量冻害隧 道调查 研究后提出了含水风化层冻胀学说 该学 说认为 冻胀一般发生在边墙风化层 而拱顶冻胀较 小 而且衬砌背后 围岩风化层的冻胀率远远大于水 结成冰的冻胀率 9 其原因在于冻胀现象并不单 纯是因围岩中水 的冻结而形成 的体积增长 更 主要 的是远处水分从未冻结部位转移以及这些水又冻结 成冰 张趾道等在研究 日本对冻害隧道调查资料的 基础上 提出的风化层冻胀模型认为 冻胀压力可用 侧压力代替同时考虑拱顶 4 m范围内布
6、设 弹簧来考 虑地层的弹性抗力作用 3 冻胀力计算存在的问题 上面介绍的 3种冻胀解释机理基本是在 荷 载 一 结构 模式基础上演变而来的解析方法 一般针对 线弹性的材料 且不能反 映冻胀压力在衬砌各 部位 的分布情况 冻融岩石圈整体冻胀理论主张的岩体孔隙中的 顾博渊 等寒区隧道 冻胀 力计算分析 少量水冻结 即能使岩体的体积冻胀似不可信 也与 工程实践不符 实 际上 当岩石强度较大时 是能够 承受孔隙中微量水结冰产生的冻胀力的 比如 规范 从未要求修建在露天岩石地基上的结构物考虑地基 冻胀 积水冻胀理论也有缺点 首先衬砌施工时 拱腰 以下部分 的混凝土 由于浇筑压力以及塑料防水板 的 延伸性
7、多能与喷层接触 钢架被要求用喷混凝土包 裹 一般不会 留有较大积水空间 其次衬砌背后如 有地下水 会不停留地沿防水板及土工布 向隧底排 出 不会有大量水停 留 另外计算 中认为衬砌后水冻 结时的冻胀率仅 为 9 也是偏小 的 没有考 虑地下 水会源源不断地向冻结处输送 即冰会逐渐长大 积水冻胀理论的冻胀力计算公式中没有考虑冰也是 弹性体 冻胀力计算时会引起误差 含水风化层模型来 自于实地调查 也有试验依 据 遗憾的是 在 I t 本 的研究 中未提 出冻胀 力计算 公式 4 本项目冻胀力计算分析 本文基于弹塑性力学和热力学原理 通过有限 元差分法研究冻胀力的量值 分布规律及冻胀压力 作用下隧道
8、衬砌 内力分布和截面应力状态 数值模型以积水冻胀机理为基础 假定支护衬 砌背后与围岩之间有存水空间 当温度降至冰点及 以下时 水体冻结形成冰透镜体 同时考虑积水风化 层学说取较大的冻胀率来反映水源补给和冰透镜体 的扩大 存水深度 参照文献 2 的建议 取为 l O c m 计 算不考虑施工阶段 仅模拟隧道冻胀形成过程 假定 施工完成后 隧道及 围岩初始 温度 为 l 衬砌 内表 面温度锁定为 0 水结成冰时冻胀率取 2 0 1 围岩本构模型 隧道周边 围岩采用 Mo h r C o u l o mb 摩尔 一库 仑 弹塑性力学模型 其破坏准则是张拉剪切组合准 则 剪切破坏准则为 一 1 一 3
9、 4 2 c 一 o 1 张拉破坏准则为 一 0 3 O 2 式中 是摩擦角 C 是粘聚力 O t 是张拉强度 N 一 1 s i n 9 1 s i n 9 2 热一 应力耦合 热平衡方程的微分表达式形式为 一 q 3 式中 热流矢量 W m q 一体积热源密度 W m 一 单位体积内的热储 J m 一 般地 能量存 储和体积应变 e的变化可能引 起温度变化 联系这些参数的热力本构定律可 以表 达为 一 一 c 4 式 中 M r 材料常数 T一温度 对于固体和液体 的准静态力学问题 应变变化 对温度 的影响可忽略不计 可以得到 鲁 8 T 5 a a 将式 5 代人式 3 得到能量平衡方程
10、 一 q i q 一 6 热 一应力问题的解决需要重新形成增量应力一 应变关系 此关系通过从总应变增量 中减去由于温 度变化产生的应变增量而得到 因为各向同性材料 中 自由热膨胀不产生角度变形 所 以剪切应 变增量 不受影响 同温度增量 T对应的 自由膨胀有关的 热应变增量具有如下形式 一 吼 7 8 7 式 中 一线性热膨胀系数 1 一 克罗内克尔 Kr o n e c k e r 符号 基于力学上考虑的运动微分方程和应变一速率 关系 对于热力学问题是不变 的 3 计算参数 表 l 表 2 表 1 物理 力学参数 重度 弹性模 量 粘 聚力 摩擦 角 材料 泊松 比 k N ms G a M
11、P a 围岩 2 1 0 2 2 O 3 3 0 5 5 5 1 衬砌 2 5 5 3 0 0 0 2 表 2 热力学参数 导热系数 比热 冻胀率 材料 W r l l 2 K 一 1 J k g 一 K一 围岩 2 6 6 3 0 衬砌 1 5 8 4 0 冻体 2 2 2 1 0 0 2 0 4 计算结果分析 冻胀发生后 隧道衬砌所受冻胀压力如图 1 所示 最大值为 0 8 9 9 MP a 出现在拱顶 最小值0 1 8 3 MP a 出 现在仰拱 中部 隧道边墙与仰供联接处冻胀压力较 l 1 公路隧道 2 0 1 2 年 第 l 期 总第 7 7 期 大 左侧为 0 8 5 4 M 右侧
12、为0 8 3 2 MP a 两侧边墙所受 力住 0 7 6 0 7 8 MP a 之间 图 1 衬砌冻胀压 力分布 在冻胀压力作片 J 下 隧道衬砌内力结果如图 2 图 3所示 一6 o 0 8 图 2 衬砌 弯矩图 一5 7 9 0 4 4 6 图 3 衬 砌 轴 力 图 弯矩内侧受拉最大值为 0 4 2 1 k N I T I 外侧受拉 最大值 为 0 3 8 7 k N m 均出现在边墙与仰拱联接 处 拱 顶 主 要 为 外 侧 受 拉 弯 矩 最 大 值 为 0 0 6 0 k N r lq 边墙内侧受拉最大值为 0 0 9 6 k N F iq 外侧受拉最大值 为 0 0 5 0 k
13、 N m 仰供 主要 为内侧 受托 中间部位外侧受托弯矩值仅为 0 0 0 3 k N 1 T I 两侧大幅增加至 0 4 0 0 k N m左右 衬砌轴力最大值 为 5 7 9 k N 出现在拱顶 最小 值为 1 4 2 2 k N 出现在边墙 与仰供联接处 边墙轴 力大小分布在 2 5 3 k N之间 仰拱 轴力最大值 为 1 2 3 4 0 4 kN 在冻胀压力作用 各部位截面最大压应力结果 如表 3 表 3 截面最大压应 力 边墙 与仰 拱部 边墙 仰供 供联接处 应 力 MP a 5 3 O 4 7 3 5 5 0 2 8 5 占混凝土 C 1 0 2 7 7 2 1 8 2 8 8
14、 1 4 9 设计 强度 比例 结果表明 冻胀压力最大值为 0 8 9 9 MP a 拱部 及边墙与仰供联接处承受冻胀压力较大 在0 8 MP a 以上 相应 内力和应力结果也显示 这些部位在冻胀 压力下产生的最大主应力占混凝土设计强度比例达 到 2 4 2 8 是受力最不利位置 5 结 论 1 分析了国内外主要 的 3种冻胀压力理论学 说 简要阐述了各种学说的优缺点 2 基于弹塑性力学和热力学原理 通过有限差 分法计算和研究冻胀压力的分布及衬砌截面受力状 态 数值模型以积水冻胀机理为基础 同时考虑积 水风化层学说取较大 的冻胀率来反映水源补给和冰 冰透镜体的扩大 3 计算结果表明 拱部及边墙
15、与仰供联接处承 受冻胀压力较大 达到 0 8 0 9 MP a 这些部位在 冻胀压力下产生的最大主应力为 5 3 O 5 5 0 MP a 占混凝土设计强度 比例达到 2 4 2 8 是受力最 不利位置 参考文献 1 王建字 胡元芳 隧道衬砌冻胀压力问题初探 J 铁道 1 二 程学报 2 0 0 4 1 8 7 9 3 2 范磊 曾艳华 何川 等 寒区硬岩隧道冻胀力的量 值及分布规律 J 中国铁道科学 2 0 0 7 2 8 1 4 4 49 3 邓刚 王建宇 郑金龙 寒区隧道衬砌刚度分布对冻 胀压力的影响 J 西南交通大学学报 2 0 0 9 4 4 5 71 6 7 2 0 4 邓刚 王建宇 郑金龙 寒区隧道冻胀压力的约束冻 胀模型 J 中国公路学报 2 0 1 0 2 3 t 8 O 一8 5 5 孙兵 仇文革 顾鑫杰 寒区裂隙围岩隧道冻胀力有 限元分析 J 路基工程 2 0 0 9 1 4 4 3 2 6 2 7
