寒区隧道温度特性研究与动力分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 张耀 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-11-25 |
| 授予单位 | 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 |
| 授予地点 | 寒区旱区环境与工程研究所 |
| 导师 | 赖远明 |
| 关键词 | 隔热层 设计参数 温度场 解析解 饱和-非饱和渗流场 耦合问题 地震响应分析 |
| 其他题名 | Study on Temperature Properties and Dynamic Analysis of Cold Region Tunnels |
| 学位专业 | 自然地理学 |
| 中文摘要 | 在严寒或多年冻土区的铁路公路隧道，凡是年平均气温低于－1℃的，都有不同程度的冻害，有的常年有7～8个月不能使用，有的甚至报废而全年不能使用。寒区隧道在使用过程中出现的主要问题是冻害，其次是渗水问题。随着西部经济的开发，我国在寒冷地区的隧道数目将会增加。寒区隧道的设计计算理论及冻害防治技术是急待解决的问题。我国西部地区是地震高发区，寒区隧道的地震响应也是值得研究的问题。本文以风火山隧道和昆仑山隧道为依托，采用理论分析为主，与现场实测相结合的研究方法，进行了寒区隧道设计计算理论多方面的研究工作，同时对寒区隧道进行了地震时程响应分析。具体来讲，主要做了如下几个方面的研究： 根据冻土学中冻土地区的斯蒂芬冻结和融化深度公式推导了寒区隧道围岩的冻结深度和融化深度；然后根据传热学中的热流连续定律，分别计算了隧道在冻结深度或融化深度内围岩的热流量以及设置了隔热层的隧道衬砌的热流量；采用当量换算法，令两热流量相当，从而推导出寒区隧道隔热层的厚度及导热系数的参数计算公式，并针对风火山隧道进行了实际应用，结果表明本文推导隔热层设计参数的计算公式具有实用价值。 在隧道内考虑了气温随时间正弦变化的对流边界条件，建立了一次衬砌、隔热层、二次衬砌和围岩四层结构的热传导方程。这是四个非齐次边界的非稳态热传导问题，可以简化成三个简单问题来求解，前两个问题是非齐次边界的稳态问题，其中一个非齐次边界在隧道衬砌的外表面处，另一个非齐次边界在所取的围岩外界面处；第三个问题是齐次边界的非稳态问题。稳态问题好求解，非稳态问题要联立求解四个贝赛尔微分方程，需要用到贝塞尔本征函数的正交与展开法则，求解很复杂。最后得到这四层结构的温度场解析解，将其运用到风火山隧道中，并与实测结果进行比较，发现结果比较接近。该解析解既可以用来检验数值分析结果，也可以用来计算含隔热层的寒区隧道温度场。 某些冻土区域存在饱和-非饱和渗流，运用饱和-非饱和土渗流理论去分析冻土，划分出饱和区和非饱和区。根据饱和冻土中的传热学和渗流理论，推导了带相变的温度场与饱和渗流场耦合的控制微分方程，应用迦辽金法推导出其有限元计算公式。根据非饱和冻土中传热学和水分迁移原理给出了带相变的温度场和非饱和渗流场耦合问题的控制微分方程，应用迦辽金法导出其有限元计算公式。取风火山隧道的DK1159+046断面建立计算模型，对其非饱和渗流场与温度场的耦合进行了数值模拟，将计算结果与实测结果相比较，两者比较接近；计算结果还表明在衬砌中铺设厚5 、导热系数为0.03 的隔热层可以保证风火山围岩不发生季节性融化。 运用有效应力原理，考虑渗流连续性方程，推导了土骨架与空隙水相互耦合作用的动力微分方程。针对昆仑山隧道的浅埋段，建立了土体-隧道结构的二维数值分析模型，采用粘滞边界，运用李小军提供的50年概率为 2%（大震）、10%（中震）的不冻泉场地人工地震波，对所建的二维数值模型进行了地震时程响应分析。计算结果表明，坚硬岩石的加速度响应比软弱岩土的小，应力响应比软弱岩土的大；隧道在边墙与底板交界处的衬砌在大震和中震时都会被破坏；在距离底板3m高的边墙衬砌在大震时会产生很大裂缝，中震时可能完好无损。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-08-22 |
| 页码 | 120 |
| 源URL | [http://ir.casnw.net/handle/362004/21530]  |
| 专题 | 寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张耀. 寒区隧道温度特性研究与动力分析[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2008. |
入库方式： OAI收割
来源：寒区旱区环境与工程研究所
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