隧道凍脹模擬研究

王 軍 劉俊新

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

我國(guó)永久性凍土和季節(jié)性凍土主要分布于西北部，占國(guó)土面積的70%以上，因此將有大量的凍土隧道[1-3]需要修建。寒區(qū)隧道凍害問(wèn)題一直是隧道工程亟待解決的一大難題[4-5]。凍害直接威脅到隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)行車的安全，給養(yǎng)護(hù)維修帶來(lái)極大的困難。通過(guò)有限元軟件對(duì)寒區(qū)隧道模型進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析，得到了模型內(nèi)部溫度分布狀況和溫度與時(shí)間之間的變化關(guān)系。

1 模型試件概況

相似模型外部敷設(shè)保溫材料[6-8]，放入冰柜中降溫，通過(guò)監(jiān)測(cè)模型內(nèi)部點(diǎn)的溫度變化，分析保溫材料的保溫性能以及模型在溫度降低的過(guò)程中產(chǎn)生的凍脹力[9-11]。相似模型材料分為飽水和自然條件下兩種情況，具體模型材料參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 保溫材料參數(shù)

根據(jù)模型的物理尺寸以及邊界條件，取物理模型的1/4作為計(jì)算模型，中間對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界條件。通過(guò)ANSYS建立如圖1所示的模型。

表2 混凝土材料參數(shù)

圖1 數(shù)值模型

模型初始溫度為20 ℃，整個(gè)模型尺寸外邊界條件分別為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃。模型內(nèi)部溫度與外界溫度一致為計(jì)算終止條件，通過(guò)瞬態(tài)熱分析可得模型內(nèi)部點(diǎn)的溫度變化過(guò)程。

2 計(jì)算分析

通過(guò)ANSYS瞬態(tài)熱分析模塊[12]，可得模型內(nèi)部溫度分布以及溫度-時(shí)間變化過(guò)程。在模型內(nèi)部布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3、P4，平面位置見(jiàn)圖2所示。

通過(guò)對(duì)混凝土試塊降溫過(guò)程中應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，得到了試塊內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖3～圖5為無(wú)隔熱板試塊，圖6～圖8為聚酚醛保溫板隔熱試塊。

圖2 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖3 降溫至-5 ℃應(yīng)力變化曲線

圖4 降溫至-10 ℃應(yīng)力變化曲線

圖5 降溫至-15 ℃應(yīng)力變化曲線

圖6 降溫至-5 ℃應(yīng)力變化曲線

圖7 降溫至-10 ℃應(yīng)力變化曲線

圖8 降溫至-15 ℃應(yīng)力變化曲線

(1)飽水混凝土試塊降溫過(guò)程的最小主應(yīng)力為自然含水條件混凝土最小主應(yīng)力的30倍左右。飽水混凝土試塊在降溫過(guò)程中具有突變點(diǎn)，自然含水率條件混凝土最小主應(yīng)力隨溫度降低最小主應(yīng)力開(kāi)始階段迅速增大，最后隨混凝土內(nèi)部溫度趨于均勻，最小主應(yīng)力也趨向穩(wěn)定。

(2)在結(jié)冰臨界溫度附近，混凝土內(nèi)部孔隙水發(fā)生相變，產(chǎn)生大量熱量。溫度變化較小，與此相對(duì)應(yīng)內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力變化也較緩慢。

(3)無(wú)隔熱板混凝土降溫過(guò)程中溫度下降較快，應(yīng)力梯度較大，敷設(shè)隔熱板后內(nèi)部熱量散發(fā)較慢，溫度梯度減小，應(yīng)力增加較緩慢。

3 結(jié)論

(1)結(jié)合埡口山隧道具體工程實(shí)例，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)模型進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析，得到了其內(nèi)部溫度分布以及溫度-時(shí)間變化過(guò)程，為研究隧道問(wèn)題提供了理論指導(dǎo)。

(2)運(yùn)用ANSYS軟件分別對(duì)模型在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃等外邊界條件下進(jìn)行計(jì)算，得出了無(wú)保溫材料模型和保溫材料模型在飽水情況以及自然條件下的應(yīng)力時(shí)程變化曲線，其結(jié)果對(duì)隧道保溫防凍的研究有重要的指導(dǎo)意義。

[1] 吳紫汪.寒區(qū)隧道工程[M].北京：海洋出版社，2003．

[2] 張學(xué)富，賴遠(yuǎn)明，喻文兵，等.寒區(qū)隧道三維溫度場(chǎng)數(shù)值分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2003，25(3)：84-89

[3] Lai Y M, et al. Nonlinear analysis for the coupled problem of temperature and seepage fields in cold-region tunnels[J]. Cold Regions Science and Technology， 1999，29(1)：89-96

[4] 陳建勛.隧道凍害防治技術(shù)的研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004

[5] 方梁正.公路隧道滲漏與凍害防治研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2001

[6] 謝紅強(qiáng)，何川，李永林.寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)抗防凍試驗(yàn)研究及仿真分析[J].公路，2006，2(2)：184-188

[7] 謝紅強(qiáng)，何川，李永林.寒區(qū)公路隧道保溫層厚度的相變溫度場(chǎng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，26(增2)：4395-4401

[8] 馬建新.高寒地區(qū)特長(zhǎng)公路隧道溫度場(chǎng)及保溫隔熱層方案研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2004

[9] 王海彥，周敏娟，馮雪芹.高寒地區(qū)隧道的凍害機(jī)理綜述[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，6(2)：29-32

[10] 童長(zhǎng)江，管楓年.土的凍脹與建筑凍害防治[M].北京：水利電力出版社，1985

[11] 徐學(xué)祖.土壤凍脹和鹽脹機(jī)理[M].北京：科學(xué)出版社，1995

[12] 孔祥謙.有限單元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1998