寒区隧道水、热、力三场耦合分析与变形可靠度研究

摘要

随着近年来西部大开发战略的不断推进，西部高寒地区公路和铁路工程建设规模日渐扩大。在寒区公路和铁路工程建设过程中，修建了大量的隧道工程，然而在工程运营过程中，普遍出现了不同程度的冻害问题。本文针对寒区隧道的冻害问题，分析了冻害产生的机理，研究了寒区隧道围岩在冻融变化下的物理力学特性，推导了岩体的水、热、力三场耦合控制方程，并以巴哈达坂公路隧道为背景，建立了水、热、力三场耦合数学模型，对隧道建成后50年内的温度场、应力场及变形场进行模拟，计算分析了该隧道工程的变形可靠度和失效概率。主要内容包括:　　(1)归纳分析寒区隧道的冻害现象，主要表现为:衬砌渗漏水、挂冰，地道翻浆冒泥、冻胀结冰，衬砌破裂，洞门墙开裂，排水系统冻结堵塞，洞口处岩体和积雪热融滑塌等。　　(2)分析了隧道衬砌结构的冻害机理。寒区隧道冻害产生的主要原因是隧道岩体内部水分在温度降低到水的冰点以下时，水分冻结成冰产生体积膨胀对岩体和隧道衬砌产生冻胀力。　　(3)总结分析了温度场、渗流场、应力场耦合的基本理论，并建立了温度场、渗流场、应力场耦合控制方程。　　(4)以巴哈达坂隧道为背景，建立了温度场、渗流场、应力场耦合的数学模型，模拟分析了隧道建成后50年内的温度场、应力场及变形场的变化规律。结果表明:①温度场方面:隧道建成后第50年7月份，未铺设保温层隧道二次衬砌外侧的温度为5.26℃，铺设保温层隧道二次衬砌外侧的温度为1.64℃。未铺设保温层隧道围岩的融化深度为2.0m，铺设保温层隧道融化深度为1.1m，由此可知，铺设5cm厚的保温层对该隧道降温效果明显。②应力场方面:巴哈达坂隧道施工结束时，仰拱底部最大拉应力为0.32MPa，拱顶最大压应力为4.12MPa;隧道建成后第50年1月份，仰拱底部最大拉应力为1.36MPa，拱顶最大压应力为5.67MPa，由此可知，隧道建成后第50年，隧道仰拱底部衬砌的最大拉应力对隧道稳定性有较大影响。③变形场方面:巴哈达坂隧道施工结束时，隧道拱顶竖直向下的位移为2.07mm，仰拱竖直向上的位移为5.39mm;隧道建成后第50年1月份，拱顶竖直向下的位移为6.30mm，仰拱竖直向上的位移为9.32mm;隧道施工结束时，隧道侧墙的水平位移为2.98mm，隧道建成第50年1月份隧道侧墙的水平位移为6.59mm。　　(5)在巴哈达坂隧道温度场、应力场及变形场分析的基础上，采用响应面法和验算点法，并编写相应的计算程序，计算分析了隧道建成后50年内的可靠度指标和失效概率。计算结果表明，在容许变形量为8mm的情况下，巴哈达坂隧道施工结束时，隧道的可靠度指标为4.5052，隧道的失效概率为0.0016％;隧道的可靠度指标随时间的推移不断降低，隧道的失效概率不断增加，且增长速率逐渐增大，巴哈达坂隧道建成后第50年的变形可靠度指标为1.9736，相应的失效概率为5.6900％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 温度场研究

1．2．2 温度场和渗流场耦合研究

1．2．3 温度场、渗流场和应力场耦合研究

1．3 论文研究内容及技术路线

2 寒区隧道工程冻害及冻害机理研究

2．1 我国冻土的类型及分布

2．2 寒区隧道的分类

2．2．1 按多年冻土分布划分

2．2．2 按地下水赋存和补给条件划分

2．3 寒区隧道冻害形式

2．4 寒区隧道冻害的形成机理

3 寒区隧道水、热、力三场耦合研究

3．1 寒区隧道温度场分析

3．2 寒区隧道水、热、力三场耦合分析

3．2．1 寒区隧道水、热、力三场耦合机理

3．2．2 寒区隧道水、热、力三场场耦合控制方程

4 巴哈达坂隧道水、热、力耦合模拟分析

4．1 工程背景

4．1．1 水文地质条件

4．1．2 工程概况

4．2 模拟分析模型建立

4．3 模型的物理力学参数和边界条件

4．3．1 模型的物理力学参数

4．3．2 模型边要条件

4．4．1 温度场分析

4．4．2 应力场和位移场分析

5 巴哈达坂隧道可靠度分析

5．1 工程可靠度理论

5．1．1 工程可靠度原理

5．1．2 极限状态方程

5．1．3 可靠度指标和失效概翠

5．2 可靠度计算的设计验算点法

5．3 可靠度计算的响应面法

5．3．1 响应面法的基本原理

5．3．2 响应面法迭代求解方案

5．4 巴哈达坂隧道变形可靠度计算

总结与展望

致谢

参考文献