隧道凍脹模擬研究

王　軍　劉俊新

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

我國永久性凍土和季節(jié)性凍土主要分布于西北部，占國土面積的70%以上，因此將有大量的凍土隧道[1-3]需要修建。寒區(qū)隧道凍害問題一直是隧道工程亟待解決的一大難題[4-5]。凍害直接威脅到隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營行車的安全，給養(yǎng)護(hù)維修帶來極大的困難。通過有限元軟件對(duì)寒區(qū)隧道模型進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析，得到了模型內(nèi)部溫度分布狀況和溫度與時(shí)間之間的變化關(guān)系。

1　模型試件概況

相似模型外部敷設(shè)保溫材料[6-8]，放入冰柜中降溫，通過監(jiān)測(cè)模型內(nèi)部點(diǎn)的溫度變化，分析保溫材料的保溫性能以及模型在溫度降低的過程中產(chǎn)生的凍脹力[9-11]。相似模型材料分為飽水和自然條件下兩種情況，具體模型材料參數(shù)見表1和表2。

根據(jù)模型的物理尺寸以及邊界條件，取物理模型的1/4作為計(jì)算模型，中間對(duì)稱面施加對(duì)稱邊界條件。通過ANSYS建立如圖1所示的模型。

表2　混凝土材料參數(shù)

圖1　數(shù)值模型

模型初始溫度為20 ℃，整個(gè)模型尺寸外邊界條件分別為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃。模型內(nèi)部溫度與外界溫度一致為計(jì)算終止條件，通過瞬態(tài)熱分析可得模型內(nèi)部點(diǎn)的溫度變化過程。

2　計(jì)算分析

通過ANSYS瞬態(tài)熱分析模塊[12]，可得模型內(nèi)部溫度分布以及溫度-時(shí)間變化過程。在模型內(nèi)部布置了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1、P2、P3、P4，平面位置見圖2所示。

通過對(duì)混凝土試塊降溫過程中應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，得到了試塊內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力時(shí)程曲線，如圖3～圖5為無隔熱板試塊，圖6～圖8為聚酚醛保溫板隔熱試塊。

圖2　模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖3　降溫至-5 ℃應(yīng)力變化曲線

圖4　降溫至-10 ℃應(yīng)力變化曲線

圖5　降溫至-15 ℃應(yīng)力變化曲線

圖6　降溫至-5 ℃應(yīng)力變化曲線

圖7　降溫至-10 ℃應(yīng)力變化曲線

圖8　降溫至-15 ℃應(yīng)力變化曲線

(1)飽水混凝土試塊降溫過程的最小主應(yīng)力為自然含水條件混凝土最小主應(yīng)力的30倍左右。飽水混凝土試塊在降溫過程中具有突變點(diǎn)，自然含水率條件混凝土最小主應(yīng)力隨溫度降低最小主應(yīng)力開始階段迅速增大，最后隨混凝土內(nèi)部溫度趨于均勻，最小主應(yīng)力也趨向穩(wěn)定。

(2)在結(jié)冰臨界溫度附近，混凝土內(nèi)部孔隙水發(fā)生相變，產(chǎn)生大量熱量。溫度變化較小，與此相對(duì)應(yīng)內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力變化也較緩慢。

(3)無隔熱板混凝土降溫過程中溫度下降較快，應(yīng)力梯度較大，敷設(shè)隔熱板后內(nèi)部熱量散發(fā)較慢，溫度梯度減小，應(yīng)力增加較緩慢。

3　結(jié)論

(1)結(jié)合埡口山隧道具體工程實(shí)例，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)模型進(jìn)行了瞬態(tài)熱分析，得到了其內(nèi)部溫度分布以及溫度-時(shí)間變化過程，為研究隧道問題提供了理論指導(dǎo)。

(2)運(yùn)用ANSYS軟件分別對(duì)模型在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃等外邊界條件下進(jìn)行計(jì)算，得出了無保溫材料模型和保溫材料模型在飽水情況以及自然條件下的應(yīng)力時(shí)程變化曲線，其結(jié)果對(duì)隧道保溫防凍的研究有重要的指導(dǎo)意義。

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