寒区隧道冻胀力计算方法研究进展与思考

近年来，随着中国西部及青藏高原地区交通网的建设，修建了越来越多的寒区隧道，然而寒区隧道冻害也频繁发生。隧道冻胀力计算是寒区隧道防抗冻设计亟待解决的难题之一。首先将现有的冻胀力计算方法分为基于含水风化层冻胀模型、衬砌背后积水冻胀模型、冻融圈整体冻胀模型3类。含水风化层冻胀模型利用侧压力代替冻胀力作用，衬砌背后积水冻胀模型将冻胀力归结于衬砌与围岩之间的局部积水冻结膨胀，冻融圈整体冻胀模型则认为冻胀力系冻融圈围岩含水冻结后整体膨胀所致。然后对这些方法及其基于的假定与适用性进行了系统的分析和总结。最后重点分析了基于冻融圈整体冻胀模型的冻胀力计算方法，并归纳出3种考虑冻融圈冻胀变形的方式：①假定冻结圈冻胀位移模式；②假定冻结圈围岩各向均匀冻胀；③考虑冻结圈围岩非各向均匀冻胀。剖析了不同冻融圈冻胀变形处理方法的区别和联系，并通过工程案例对比分析了不同冻融圈冻胀变形处理方法对冻胀力计算结果的影响，分析了考虑围岩非各向均匀冻胀时冻胀力解的适用性。研究结论可为寒区隧道工程设计提供借鉴。     

公路连拱隧道冻胀结构力学分析与防冻措施

针对目前我国中原以北地区公路连拱隧道在运行中越来越突出的衬砌冻胀破坏问题,文中根据隧道在冻胀条件下温度和结构的相应作用,初步探讨了冻胀力的计算方法并运用ANSYS有限元分析,模拟在冰冻环境温度作用下隧道的冻胀过程及持续低温和冻胀作用对隧道衬砌结构的影响,最后在分析公路连拱隧道特点的基础上提出了抗、防冻措施。     

联络通道冻结法施工三维力学分析

应用人工冻结土体技术开挖隧道的联络通道,涉及到土体冻结的热力学作用以及冰冻土体与隧道结构相互影响等一系列复杂的物理力学过程。采用FLAC3D建立主隧道、联络通道及冻结管的三维数值模型,综合考虑了温度计算、冻土与非冻土的转变及土体的冻胀作用,研究了人工冻结法对隧道管片及周围土体的力学响应。通过对冻胀率参数敏感度分析,研究土体冻结变形、冻胀力及隧道管片内力的变化,所得到的初步结果对冻结法施工有着实际的工程意义。     

青藏铁路昆仑山隧道防冻胀结构研究

结合青藏铁路昆仑山隧道,分析了多年冻土地区隧道冻胀产生的原因,提出了“一次衬砌+防水隔热层+二次衬砌”的新型防冻胀结构型式。通过对昆仑山隧道现场气温、地温和洞内围岩温度、冻胀力、初期支护和二次衬砌应力等一系列的测试表明,该结构安全可靠,昆仑山隧道的建成使多年冻土隧道的修建技术取得了长足的进步.     

公路隧道衬砌背后空洞积水冻胀的力学简化模型研究及误差分析

为解决高寒地区公路隧道衬砌背后积水冻胀问题,针对特定的环向长条形空洞,建立了2种不同的简化计算模型,即将衬砌结构简化为拱脚为铰支座约束和弹性固定端约束的半圆拱模型。采用荷载-结构法,推导衬砌结构在冻胀力作用下的内力公式,利用MATLAB计算不同参数下的理论值,并绘制内力变化曲线,确定整个衬砌结构在空洞不同大小时的内力分布规律。计算结果表明： 冻胀力引起的衬砌弯矩和轴力极值位于不同的衬砌位置,仅仅考虑弯矩或轴力对衬砌的影响具有一定的误差。对衬砌背后冻胀力的内力影响规律以及2种简化模型的误差进行定量分析,为公路隧道施工和运营维护提供了一定的参考价值。     

寒区路基涵洞在冻胀变形作用下的受力特性研究

应用ANSYS有限元计算软件对寒区路基涵洞进行了模拟计算,采用不同的工况模拟寒区路基涵洞的冻胀影响,对涵洞-冻土整体数值分析模型进行了非线性有限元分析。对路基涵洞在不同冻胀率、有无垫层、不同垫层厚度下的位移及拉应力关系进行分析。揭示可能导致路基涵洞结构发生破坏的主要因素如冻胀率及冻胀深度等的设计限制值,给出了路基涵洞结构在不同冻胀变形下垫层厚度的安全限制值。     

围岩冻胀对隧道结构影响及锚杆整治对策

根据最近文献资料统计,季节冻土区隧道衬砌边墙出现纵向裂缝的案例越来越多,给隧道运营安全带来极大危害.采用理论分析和数值模拟方法研究了季节冻土区隧道冬季边墙衬砌开裂的原因及相应整治对策.结果 表明:(1)仅考虑嗣岩冻胀力荷载时,当冻胀力达到一定量值时,边墙中间位置会产生较大弯矩,会导致边墙混凝土衬砌产生裂缝,当考虑冻胀力荷载和围岩荷载共同作用时,围岩荷载会进一步加剧衬砌裂缝的发展程度;(2)计算得到的边墙拉应力最大值对应位置通常在轨面以上2～3 m处,与现场某隧道由围岩冻胀荷载导致衬砌开裂现象位置吻合;(3)当既有隧道内轮廓没有富余,不允许侵限的情况下,利用设置"被动型"抗拉全长锚同锚杆整治冻胀隧道病害的措施,可以有效抵抗围岩季节冻胀力荷载,防止边墙衬砌开裂现象的发生,确保隧道的运营安全.     

寒区裂隙围岩隧道冻胀力有限元分析

基于弹塑性力学和传热学原理,以川藏公路雀儿山隧道为工程背景,通过有限元方法研究了裂隙围岩隧道衬砌所受冻胀力的量值、分布规律及其影响因素。研究结果表明：隧道埋深、裂隙间距、宽度、角度、冻结深度和裂隙与衬砌结构之间的距离对冻胀力有显著影响。     

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀力演化规律研究

寒区富水隧道冻结圈围岩冻胀演化机制是影响其运营安全的关键科学问题。为探究冻结圈围岩的冻胀力演化规律,开展含水围岩低温冻结作用下三维地质力学缩尺模型试验；采用环境冷气进入洞内降温的方式,模拟隧道洞口段围岩温度场分布特征；利用微型压力传感器对含水围岩在低温冻结过程中的冻胀力进行实时动态监测,以获取不同含水率和冻结圈厚度围岩下的冻胀力时空演化曲线。采用多元回归分析方法,建立围岩冻胀率、冻结圈厚度与含水率等参数的拟合计算式；据此建立平面应变状态下考虑围岩含水率和围岩比重指标的冻结圈围岩冻胀力理论解。采用热应力方法模拟冻胀力演化特征,对冻胀力的理论计算值和模型试验测试值进行对比分析,进一步验证试验方法和理论解的合理性。研究结果表明：围岩温度场呈三阶段变化特征以及类似带柄状“正勺”形状分布规律；含水围岩温度场的下降阶段呈非线性分布特征；围岩温度表现出滞后于环境温度变化的趋势。不同含水率和冻结圈厚度下的冻胀力演化规律曲线形态类似,表现为孕育-发展-稳定变化特征。冻胀力理论解与现场实测数值偏差19.7%,与数值解、试验值偏差均在0~20%之间,所提出的冻胀力理论计算方法可为围岩含水率为0~60%范围和冻结圈厚度为0~8.0 m范围冻胀力取值提供参考。研究结论可为寒区富水隧道冻结圈围岩的冻胀力设计及预测研究提供支持。     

寒区冻融环境下隧道衬砌结构耐久性分析

寒区冻融环境下,隧道衬砌普遍存在开裂、剥落、挂冰以及路面冒水、结冰等冻害,严重危及隧道的运营安全.结合大坂山隧道的实际工程情况,从隧道的冻害成因和冻胀机理出发,分析了围岩的冻胀膨压力对衬砌结构的作用特性和规律,以及衬砌混凝土在冻融作用下的损伤情况,得出主要结论有:围岩冻胀膨压力是影响隧道衬砌耐久性的主要因素;拱脚在断面内最先达到最不利状态,混凝土自身的特性直接影响其抗冻融破坏能力.并据此提出可行、有效的技术对策,对提高寒区冻融环境下隧道衬砌耐久性具有参考意义.     

季冻区路基冻胀置换深度的计算方法

为防止季东区公路路基产生冻胀病害,依据试验和观测结果,分析了路基土冻胀量沿冻深的分布规律。基于路面容许变形值,通过对观测数据的数理统计分析,提出了水泥混凝土和沥青混凝土路面的路基容许冻层厚度计算方法。最后,提出了半经验、半理论的公路路基置换深度计算方法。采用这种方法,简化了路基置换深度的计算过程,可以方便地推荐出不同条件下路基的置换深度。论文研究成果为季冻区公路路基设计及路面冻害的防治提供了理论依据及实用的设计方法。     

哈大客专路基冻胀变形的观测与分析

通过哈大客专路基冻胀变形的观测,从全线路基冻胀量的大小和分布、不同结构类型路基冻胀量的差异和发生概率,以及冻胀量沿深度的变化和组成等方面,进行了阐述;通过冻胀原因和控制性因素分析,指出哈大客专路基冻胀变形部位主要集中在基床范围,得出现有路基结构形式下,冻结深度不是控制路基冻胀量的主因和控制基床冻胀变形,特别是基床表层冻胀变形是解决路基冻胀问题的关键等结论;并对寒区高速铁路路基结构形式进行了探讨,为寒区高速铁路路基冻胀病害的防治提供参考。     

季节性冻土区混凝土基床控制冻胀变形规律研究

季节性冻土区高速铁路采用混凝土基床控制路基冻胀变形，已取得了良好效果，但在季节性冻土区气候环境下还存在翘曲变形问题。结合工程实例，以混凝土基床路基为研究对象，开展混凝土基床变形控制试验研。结果表明:聚氨酯板具有减小混凝土基床冻结深度，抑制冻胀量的作用，其厚度越大防冻胀效果越好，但增加气凝胶保温毡厚度，不能明显减小混凝土基床的冻结深度和缩短冻结周期。     

季节冻土区高速公路路基冻胀试验观测研究

在季节性冻土区的路基工程中．冻胀是冻害的主要形式之一．冬季较强烈的冻胀也预示着春季可能要产生较严重的融沉和翻浆。根据2000～2002年间对吉林省长余高速公路路基冻张观测所获得的资料．描述了冻胀引起的路面变形破坏特征,对影响冻胀的因素进行了分析．并阐明了路基冻胀量沿冻深的分布状况。     

东北地区天然路基冻胀敏感性试验研究

在季节性冻土地区，土壤的冬冻春融往往是路基被破坏的重要因素，因此，对季冻区土壤冻胀敏感性研究有着重要的意义。将取自东北季节性冻土地区具有代表性的土样进行闭式冻胀试验，并求出其冻胀率。根据试验结果绘制冻胀率η-含水率w关系曲线，通过线性回归分析得出冻胀率与含水率的关系式。同时，还对土样中含泥率对冻胀性的影响进行了阐述。     

基于BP神经网络的人工盐渍土冻胀预测研究

以季节性冻土区环青海湖段青藏铁路路基冻害为背景,通过现场采集的粉质黏土人工盐渍化后,考虑温度、水分、盐分、压实度4个因素进行室内冻胀试验,测试了不同温度环境下路基土体的冻胀率。根据试验所得参数,建立BP神经网络冻胀预报模型对土体冻胀率进行预测。结果表明:运用BP神经网络的预测结果与试验结果具有良好的一致性,误差为1%～5%。     

青藏铁路西格段路基土体冻胀试验研究

以青藏铁路西格段季节性冻土区路基冻害为背景,通过现场采集典型分布的粉质黏土,考虑温度、水分、盐分、压实度4个因素,进行室内冻胀试验,测试不同温度下路基土体的冻胀率,分析不同含盐量、含水率、压实度和温度下的冻胀试验数据。结果表明:对于不同压实度和含盐量的试样,冻胀率随含水率增加逐渐增大;随着含盐量的增加,土体的起胀温度逐渐降低,土体的冰点也随之降低;含盐量低于1.0%时,随着压实度的增加土体冻胀率呈增大趋势,含盐量为2.0%时,土体冻胀率不随压实度的变化而变化,进一步增大含盐量时,土体的冻胀率随压实度的增加