寒区隧道冻胀力的粘弹性解析解

利用弹性粘弹性相应原理，导出了衬砌－正冻围岩－未冻围岩系统冻胀力在拉氏象空间中的有关算式，然后采用数值逆变换的方法，求得了寒区隧道的冻胀力和衬砌应力。算例表明考虑了冻胀因素时的衬砌应力比未考虑冻胀因素时的衬砌应力大得多。     

寒区隧道衬砌周边冻胀力及防治措施研究

依托祁连山高寒区隧道工程进行衬砌周边冻胀力数值分析和防治措施研究,探究寒区隧道衬砌周边冻胀力分布规律。基于有限元软件,分析围岩性质、含水率和衬砌弹性模量对冻胀力的影响,以及针对性提出寒区隧道防冻措施。研究结果表明:隧道衬砌周边的冻胀力分布不匀,墙脚附近的冻胀力最大,仰拱中心处的冻胀力最小;围岩性质越差,衬砌周边冻胀力越小,围岩从Ⅳ级变化至Ⅵ级时,最大冻胀力从1.944 MPa减少至0.502 MPa;围岩与衬砌附近的含水率越高,作用在衬砌结构上的冻胀力就越大,当围岩中含水率从10%增加至30%时,最大冻胀力从1.672 MPa增至5.193 MPa;衬砌弹性模量越大,作用在衬砌上的冻胀力越强,弹性模量从8 GPa增至32 GPa时,最大冻胀力从0.878 MPa增至1.269 MPa。最后提出高寒区隧道衬砌抗冻病害设防等级和相应的措施建议,为高寒区隧道建设提供技术支撑。     

考虑随机裂隙的寒区隧道冻胀力研究

研究目的:为进一步研究围岩和衬砌结构的冻胀力,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、室内试验和COMSOL数值模拟相结合的方法,探究考虑随机裂隙条件下,孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和模型下边界水头对冻胀力量值和分布规律的影响. 研究结论:(1)衬砌结构的最大拉、压应力随孔隙率的增大而...     

高寒地区围岩冻胀对已有裂缝隧道安全性的影响

通过分析隧道工程中围岩冻胀机理,结合衬砌内力分析,建立已有裂缝隧道的弹性冻胀计算理论。以张家口市一隧道为例,通过与数值分析的对比,验证了该计算理论的准确性。综合考虑围岩岩体的局部冻胀分布、相对冻结深度、含水率、衬砌初始裂缝深度等因素,研究已有裂缝隧道安全的影响规律、内在机制和预防措施。结果表明:弹性冻胀理论可以较精确地计算裂缝衬砌受冻胀后的部分应力和位移量,分析隧道不稳定状态,为高寒地区隧道设计提供借鉴。     

考虑相变和围岩含水裂隙的隧道冻胀力研究

研究目的:为掌握寒区隧道冻胀力特征,以2022年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过室内试验、温度测试和COMSOL数值模拟相结合的方法,建立仅考虑围岩冻胀的计算模型,研究相变潜热和围岩含水裂隙对衬砌结构和围岩内力的影响。研究结论:(1)考虑相变潜热能减少衬砌结构内力,相变潜热对衬砌结构冻胀内力的影响随着计算时间的增加愈加明显;(2)含水裂隙使初期支护的最大拉、压应力增大,而使二次衬砌的最大拉、压应力减小,且对初期支护的最大拉、压应力影响明显大于二次衬砌结构,相对于无围岩裂隙,含水裂隙的存在推迟了衬砌结构应力出现的计算时间并使围岩各截线位置的第一主应力变化规律由W型转变为V型;(3)相变潜热和含水裂隙对衬砌结构的最大拉、压应力位置,衬砌结构和围岩的主应力分布规律及量值大小均有一定影响,实际工程中应注意减小围岩裂隙对结构的影响;(4)本研究结论可为类似高寒地区相变潜热和围岩含水裂隙对隧道冻胀力的影响大小提供借鉴或参考。     

海底隧道开挖过程中衬砌结构变形与能量损失

基于流固耦合理论，推导海底隧道圆形衬砌结构水压力计算公式。以汕头湾海底隧道为工程依托，结合有限差分软件FLAC 3D建立全包与半包隧道模型，分析不同海水深度、不同防排水形式下围岩渗流场特征，孔隙水压力、衬砌结构位移和能量变化规律。结果表明：不同海水深度下Ⅱ级围岩段隧道稳定性均明显优于Ⅳ级围岩段，Ⅳ级围岩段全包隧道孔隙水压力均大于半包隧道，Ⅱ级围岩段全包与半包隧道孔隙水压力基本一致；对于隧道衬砌结构位移，同一海水深度下全包、半包隧道相差极小，海水深度小于等于15 m时位移随海水深度增加而稳步小幅增大，海水深度20 m时Ⅱ级围岩段位移剧增，Ⅳ级围岩段增幅较Ⅱ级围岩段小；海水深度小于15 m时，全包、半包隧道的能量差异较小且耗散能略小于弹性应变能，海水深度为15 m（半包隧道）、20 m时耗散能明显大于弹性应变能；隧道围岩塑性区单元数量与海水深度正相关，海水深度从5 m增至10 m、15 m增至20 m时，塑性区单元数量呈跳跃式增长。     

寒区隧道衬砌结构可靠性分析

为了研究寒区隧道在运营阶段衬砌结构的可靠性,考虑到冻胀力、围岩压力和结构自重应力对围岩衬砌结构的影响,以昆仑山寒区隧道工程为背景,采用ANSYS中的PDS(概率设计)模块和蒙特卡洛拉丁超立方抽样方法,对影响寒区隧道衬砌结构可靠性的主要因素以及保证隧道结构安全的可靠性指标进行研究。结果表明:基于ANSYS数值模拟,通过研究冻土围岩温度场和应力场的耦合结果,得到冻胀对衬砌结构产生的最不利的位置;以概率论和数理统计相结合的方式,对衬砌结构最不利位置的可靠性进行定性和定量的分析,得到衬砌结构的可靠性指标;蒙特卡洛法中的拉丁超立方抽样提高了抽样概率的精确性,概率设计的敏感性和设计变量之间的散点图分析,有利于确定影响衬砌结构可靠性的主控因素,进而针对可控因素采取措施,以此提高衬砌结构的可靠性。     

季节冻土隧道边墙开裂原因及影响因素研究

研究目的:近年来,在我国高纬度季节冻土区,围岩冻胀导致隧道衬砌开裂、春融期渗漏水等病害时有出现,严重影响隧道和列车运营安全。本文以我国西北地区某铁路线隧道为例,采用现场测试、室内试验、数值模拟等手段研究季节冻土区隧道冬季边墙纵向开裂原因及其主要影响因素。研究结论:(1)修建在强风化砂泥岩地层中的隧道,当围岩含水率为12. 3%、围岩冻结深度达60 cm时,在冬季持续负温作用下,边墙最大拉应力为2. 28 MPa,大于C30混凝土的极限抗拉强度,边墙会出现水平冻胀裂缝,若考虑衬砌承担部分围岩荷载,边墙纵向开裂程度会加剧;(2)冻胀力荷载作用下,衬砌开裂具有对称性、季节性、积累性等特点,裂缝在冬季出现,分布在边墙中间位置,气温回升后,具有收缩性;(3)季节冻土区围岩冻胀力荷载计算宜以围岩冻结圈厚度和含水率为主要指标;(4)本研究成果可供季节冻土区隧道设计、运营维护参考。     

寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究

为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式,进行冻胀力的室内模型试验。模型试验采用不同水囊大小和分布位置来模拟衬砌背后积水情况,通过模型试验箱外界环境整体降温和隧道底部局部降温的方式,模拟隧道外界的低温环境。试验结果表明:衬砌背后冻胀力在拱顶处较小,在边墙和拱脚处较大;在相同的冻胀压力作用下,拱顶处更容易破坏。最后采用数值计算,对比分析围岩注浆前后3种试验工况下隧道衬砌结构的可靠度。结果表明:仅靠提高衬砌结构的厚度和强度来预防或消除衬砌结构冻害的方法是不可取的,在富水区的寒区隧道采用围岩注浆加固具有较好的效果。     

季节冻土地区强风化砂泥岩隧道边墙开裂原因分析及整治对策研究

采用理论分析、数值计算、室内及现场试验等方法,结合准格尔至朔州铁路梁家坪2号隧道的工程实际,对季节冻土地区强风化砂泥岩季节性冻胀对隧道结构的影响进行了研究。该隧道边墙纵向开裂是由于隧道含水围岩的季节性冻胀所致,对此提出了锚固、注浆、挂网喷混凝土的衬砌开裂整治措施,并指出了现行规范中的不足,即应根据含水围岩冻胀率和围岩冻结深度来综合确定是否考虑冻胀力。     

隧道衬砌冻胀压力问题初探

冻胀压力的量值和分布不仅取决于围岩的性态和气象条件 ,而且同衬砌结构的材料、刚度以及施工质量密切相关 ,是一个十分复杂的问题。本文从岩石和土层两种围岩中衬砌承受冻胀压力的机理出发 ,探讨计算方法。通过计算分析 ,对寒冷地区隧道衬砌的设计和施工提出了若干建议。     

Research on the Cause and Influential Factors of Tunnel Lining Cracking of Side Wall in Seasonally-frozen RegionsEI北大核心

Research purposes: In recent years, tunnel diseases like lining cracking and water leaking during spring thawing period, caused by frost heaving of surrounding rock, have occasionally occurred in high-latitude seasonally-frozen regions of northwest China and northeast China, which has seriously affected the tunnel structure and operation safety. Taking several railway tunnels in northwest China as an example, this paper investigates the cause and main influencing factors of longitudinal cracking of side wall in winter in seasonal frozen soil area by means of field test, laboratory experiment and numerical simulation. Research conclusions:(1) When the water content of surrounding rock of tunnel built in strongly-weathered sandstone is 12.3% and the frozen depth of surrounding rock is up to 60 cm, the maximum tensile stress of side walls is 2.28 MPa, which is larger than the ultimate tensile strength of C30 concrete, then the horizontal lining cracking will appear on side walls under the effect of continuous negative temperature in winter. If the lining bears part of the surrounding rock load, the longitudinal cracking degree of the side wall will increase. (2) Under the effect of frost heaving loads, the cracking of tunnel lining has its own characteristics of symmetry, seasonality and accumulation, etc. The cracks appear in winter and distribute in the middle of side walls. As the temperature is rising, the crack begins to shrink. (3) The frozen circle thickness and water content of surrounding rock should be used as main indicators during the process of calculation of frost heaving loads of surrounding rock in seasonally-frozen regions. (4) The research results can be used for reference in tunnel design, operation and maintenance in seasonal frozen soil area. © 2018, Editorial Department of Journal of Railway Engineering Society. All right reserved.     

高速铁路路基微冻胀填料冻胀发育机制研究

为了揭示微冻胀填料的冻胀发育机制,解决寒区高速铁路路基冻胀问题,从理论上分析了微冻胀填料的组成,各组分的冻胀特点,在此基础上分析了填充料的受力及水分迁移情况。结果表明:微冻胀填料主要由骨架颗粒与填充料组成,其中填充料包括细骨料与细颗粒,当无外界约束作用或填充料膨胀力大于外界约束作用时,微冻胀填料将表现为宏观冻胀。微冻胀填料内部离散性较大,水分迁移通道不连续,由此造成冻结为"原位冻胀",细颗粒冻胀是微冻胀填料冻胀的主要原因,细颗粒冻胀时水分迁移造成空间体积占位,加大了冻胀程度。结论:微冻胀填料冻胀主要由细颗粒冻胀及其水分迁移引起。     

季节性冻土区铁路路基含水率变化特征研究

季节性冻土区路基冻害一直是困扰铁路工程建设和运营的核心问题.针对兰新铁路西段路基冻害严重的问题,探讨不同工程措施对路基冻融循环过程中含水率变化的影响,以及含水率对路基冻结深度及冻胀变形的影响规律.研究结果表明,季节性冻结对兰新铁路西段路基含水率影响的范围在0.4～0.8m,影响深度有限;"隔一挖一"、"隔三挖一"等工程...     

单向冻结条件下饱水砂卵石冻胀融沉特性试验研究

以北京典型饱水卵石7#地层为研究对象,利用恒温恒压冻胀融沉仪,研究不同干密度饱水砂卵石在开放系统和封闭系统条件下的冻胀率、融沉系数、冻胀力及水分迁移量。试验结果表明:①饱水砂卵石的冻胀率和融沉系数均小于1%,远小于黏土、粉土的冻胀率和融沉系数,且随干密度的增大而减小;②封闭系统砂卵石冻胀率(力)和融沉系数大于开放系统;③饱水砂卵石冻胀过程是排水过程,排水量占土颗粒质量比例不超过1%;④无论是开放系统还是封闭系统,砂卵石经冻胀融沉后,总有一定的变形残余量。研究成果为冻结法在北京深层地下空间应用提供理论依据和参考。     

考虑流变特性的隧道围岩变形效应分析

为了探讨考虑流变效应情况下隧道围岩和衬砌的变形情况,从而进一步确定隧道的合理衬砌时机。首先,分析围岩的流变特性对隧道变形和衬砌抗力的影响,通过理论推导得到了同时考虑黏弹塑性的隧道围岩变形计算公式,该公式包含时间参数,可确定达到不同衬砌位移及围岩位移所需要的时间。然后,以南龙铁路隧道工程为背景,针对隧道拱顶下沉、周边收敛、围岩压力和初衬内力,开展隧道二衬合理支护时机的监测分析,得到围岩变形计算公式中的待定系数,并确定隧道衬砌的合理支护时机。将得到的结果与现场监测的结果进行对比,发现二者得到的二衬支护时机基本相同,从而验证计算结果的正确性。     

路基的填料冻胀分类及防冻层设置

我国冻土区铁路路基表层的冻胀病害严重,且没有相应的路基填料冻胀性分类标准。在分析路基的冻胀特性、影响路基冻胀的因素、路基冻害整治中存在的问题的基础上,借鉴国内外地基土的冻胀性分类,并结合铁路路基填料分类的特点、铁路线路冻胀限高和维修标准,提出铁路路基填料冻胀性分类方案,并建议在冻土区设置路基防冻层。路基填料冻胀性分类方案以各类土的细粒含量、冻前含水量和冻胀高度为指标,进行冻胀敏感性和冻胀等级两级分类。路基防冻层应用细粒含量<5%的砂类和细粒含量<15%的砾类、碎石类不冻胀土填筑,防冻层的厚度根据路基的标准冻深。列车的运行速度和载重量确定。     

兰新高铁甘青段路基冻胀自动监测及分析研究

为查明兰新高铁甘青段路基冻胀变形原因和影响因素,提出相应的冻胀处理措施,将路基冻胀变形控制在允许范围之内,采用自动监测系统,对路肩以下5 m范围内路基的冻结深度、水分、冻胀变形等进行监测,并对监测结果进行统计分析和深入研究。研究结果表明:路基冻结深度的发展主要受气温的影响,基床表层以下填料含水量随着冻结深度增加缓慢增加;基床表层及基床底层上部1.0 m范围冻胀量占总冻胀量的80%以上;低路堤地段冻胀最严重。为减少路基冻胀量,设计及施工时应采用全冻结深度防冻胀方案,以填料防冻胀为主,辅以防水、疏水和隔热等综合措施;低路堤地段防冻胀措施应适当加强。