地铁车站出入口侧墙冻胀变形数值分析

摘要

随着经济的快速发展,城市规模的不断扩张。在这种形式下，我国轨道交通事业飞速发展。地铁车站作为城市轨道交通的枢纽，其安全性关乎地铁的正常运营，关乎乘客生命及国家财产安全。因此，保障其安全稳定性尤为重要。由于山区温度比平原低很多，因此当地铁车站位于山区时，其在冬季更容易遭受冻害。
　　针对上述问题，本文以北京昌平的十三陵景区车站为工程背景。采用理论分析与数值模拟相结合的方法，研究了该地铁车站在冬季运营时，出入口侧墙周围土层温度场的变化规律，并与天然土层温度场的变化规律进行了比较。在此基础上，通过热-力耦合的方法，计算了地铁车站出入口侧墙的水平冻胀力及水平冻胀位移。通过计算结果分析了水平冻胀力和水平冻胀位移沿侧墙的分布规律。
　　本文的主要研究内容如下:
　　(1)对冻土温度场、水分场及应力场的基本公式进行了研究和推导。对影响土体热交换系数（导热系数、容积热容量）和质交换系数（导湿系数、微分水容量）的各个因素（如总含水量、干密度、未冻水含量）进行了详细的分析。并研究了各个参数的取值方法。
　　(2)当地铁车站在冬季运营时，本文对其出入口侧墙周围土层和天然土层温度场的变化规律进行了分析。研究了土体初始含水率对土层温度场及冻结深度的影响。
　　(3)根据热-力耦合理论及温度与未冻水含量的关系式，本文对土的热膨胀系数的计算公式进行了改进。从理论上推导了封闭系统下饱和土热膨胀系数的计算公式。并将该公式应用到了数值计算当中，计算的结果基本与实际相符。
　　(4)研究了地铁车站出入口侧墙的水平冻胀位移及水平冻胀力沿侧墙的分布规律。分析了土体含水率对侧墙冻胀变形的影响及水平冻胀力随冻结时间的变化规律。最后对比了不同类型出入口的冻胀变形。
　　(5)对比分析了实测值和数值解的结果，证实了水平冻胀力沿埋深的分布规律受土体散热条件（双向冻结、单向冻结）、建筑物的结构形式及地下水埋深的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冻胀机理的研究现状

1．2．2 水-热-力耦合模型的研究现状

1．2．3 水平冻胀力的研究现状

1．3 研究中存在的问题

1．4 研究内容及技术路线

1．5 创新点

2 冻土的温度场、水分场及其基本参数

2．1 基本假定

2．2 温度场模型分析

2．2．1 能量平衡方程

2．2．2 热传递法则

2．2．3 温度场边界条件

2．3 水分场模型分析

2．4 应力场模型分析

2．5 热交换系数及其影响因素

2．5．1 容积热容量及其影响因素

2．5．2 导热系数及其影响因素

2．5．3 相变潜热

2．6 质交换系数及其影响因素

2．6．1 导湿系数及其影响因素

2．6．2 微分水容量及其影响因素

2．7 本章小结

3 土体冻结过程中土层温度场及冻结深度分析

3．1 热传导微分方程的有限差分格式

3．2 低温相变温度场理论

3．3 土层温度场的三维数值模拟

3．3．1 计算的基本假定

3．3．2 土层温度场有限差分模型的建立

3．3．3 土层温度场的变化规律

3．3．4 土层冻结深度随时间的变化规律

3．4 本章小结

4 车站出入口侧墙水平冻胀力及水平冻胀位移的变化规律

4．1 FLAC 3D中冻胀分析的基本原理

4．1．1 FLAC 3D中热-力耦合分析的基本理论

4．1．2 FLAC 3D中冻胀效应的计算假定

4．2 地铁车站计算模型的建立

4．2．1 模型尺寸及网格划分

4．2．2 模型的初始条件及边界条件

4．3 计算参数的选取

4．3．1 弹性模量、泊松比

4．3．2 热膨胀系数

4．4 地铁车站普通出入口侧墙水平冻胀力和冻胀位移分析

4．4．1 土体冻胀时与未冻胀时普通出入口侧墙受力比较

4．4．2 普通出入口侧墙水平冻胀位移沿埋深的分布规律

4．4．3 普通出入口侧墙水平冻胀力沿埋深的分布规律

4．4．4 普通出入口侧墙水平冻胀位移沿水平方向的分布规律

4．4．5 普通出入口侧墙水平冻胀力沿水平方向的分布规律

4．4．6 粉土素填土含水率对普通出入口侧墙水平冻胀位移的影响

4．4．7 粉土素填土含水率对普通出入口侧墙水平冻胀力的影响

4．4．8 普通出入口侧墙水平冻胀力随时间的变化规律

4．5 无障碍出入口侧墙水平冻胀力及水平冻胀位移分析

4．5．1 无障碍出入口模型的网格划分

4．5．2 无障碍出入口侧墙水平冻胀力及水平冻胀位移的分布规律

4．5．3 两种不同形式出入口水平冻胀力和水平冻胀位移对比

4．6 结合实际工程分析数值模拟结果的合理性

4．7 本章小结

5 总结与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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