凍融循環(huán)對(duì)寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)凍脹力的影響

高帥+陶雨

摘要：隨著我國(guó)的公路建設(shè)，我國(guó)的西北嚴(yán)寒地區(qū)的道路交通以隧道這種重要的方式來(lái)呈現(xiàn)，但是因?yàn)闅夂虻牡奶厥庑裕瑑鋈谘h(huán)比較明顯，為了分析凍融循環(huán)對(duì)寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)凍脹力的影響，本文就凍融循環(huán)對(duì)寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)凍脹力的影響進(jìn)行了研究，首先闡述了寒區(qū)隧道凍脹產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理；其次闡述了對(duì)于未凍土體的物理力學(xué)性質(zhì)的改變；最后闡述了隧道計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán)；寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)；凍脹力

引言

我國(guó)的社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，為了尋求全國(guó)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，實(shí)施了“西部大開發(fā)”的發(fā)展戰(zhàn)略，為了促進(jìn)西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，就必須要先修好路，所以，在我國(guó)的西部高緯度的海拔地區(qū)，越來(lái)越多的隧道建成通車，但是在這些高緯度地區(qū)，收到氣候條件的影響，及其容易在隧道發(fā)生凍害，再加上我國(guó)西部地區(qū)的地下水也比較豐富，這些隧道的凍害問(wèn)題影響了車輛的運(yùn)行，實(shí)際上，隧道的日常的維護(hù)工作本身就比普通的公路要求要高，高海拔地區(qū)的道路建設(shè)和隧道建設(shè)話費(fèi)的人力物力和財(cái)力更多，因此在隧道建成之后的維護(hù)上就更加的要重視，這關(guān)系到隧道運(yùn)營(yíng)的使用時(shí)間的長(zhǎng)短問(wèn)題還對(duì)其他的隧道建設(shè)起到一個(gè)借鑒作用。

一、寒區(qū)隧道凍脹產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理

寒區(qū)隧道的凍脹產(chǎn)生的力學(xué)的特性也是研究的一個(gè)重要的課題之一，凍土的力學(xué)結(jié)構(gòu)也比較的特殊，和其他普通土的力學(xué)結(jié)構(gòu)不同，隧道凍害產(chǎn)生的一個(gè)最主要的因素就是沒(méi)有受凍的土體在經(jīng)過(guò)溫度的降低受凍之后力學(xué)機(jī)理完全不同，體積不斷的膨脹，在凍土的形成過(guò)程中，

當(dāng)溫度一直不斷的持續(xù)下降，一直降到能讓土體受凍的溫度的情況時(shí)，水分就會(huì)源源不斷的向正在凍結(jié)的土壤中流動(dòng)，在這一過(guò)程中，會(huì)發(fā)生相應(yīng)的物理變化，土體的體積變大，據(jù)研究顯示，土體的體積會(huì)是原先大百分之九，和我們的日常生活相對(duì)應(yīng)就不難理解，當(dāng)水繼續(xù)的結(jié)冰的時(shí)候，原先的液態(tài)的水并沒(méi)有一點(diǎn)點(diǎn)的流失，而是慢慢的轉(zhuǎn)化為固態(tài)的水，以固態(tài)的形式繼續(xù)存在，在這個(gè)過(guò)程中，土體中的液態(tài)水凝固并以冰的形式填充到土顆粒間隙中，

土體在凍脹的過(guò)程中是需要必要的條件的，并且這些條件缺一不可，缺失一個(gè)因素，在隧道中就不會(huì)產(chǎn)生凍脹原理，這三個(gè)因素分別是能產(chǎn)生凍脹的敏感性質(zhì)的土壤、土壤中要有原始的水分在發(fā)生凍脹的過(guò)程中還要有水分的補(bǔ)給、凍結(jié)溫度和凍結(jié)時(shí)間。

二、對(duì)于未凍土體的物理力學(xué)性質(zhì)的改變

凍土受凍之后的強(qiáng)度和變形的強(qiáng)度都和之前沒(méi)有受凍的時(shí)候有很大的差別，但是其中最大的差別就是凍土中有冰的存在。凍土和冰都是塑性體，尤其是冰的塑性變形明顯。凍土的變形有不同的特性，根據(jù)溫度的不同呈現(xiàn)出不同的特征，當(dāng)空氣中的溫度接近0攝氏度的時(shí)候，凍土的變形呈塑性，當(dāng)空氣中的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于0攝氏度的時(shí)候，凍土的變形呈彈性。凍土的變形分為不同的階段，在第一個(gè)階段，凍土的變形涵蓋了兩個(gè)狀態(tài)，彈性和塑性兩個(gè)狀態(tài)都有體現(xiàn)，在第二個(gè)階段，凍土的變形完全是塑性，并且只有這一個(gè)特性，在流動(dòng)變形階段，即使壓力不再增加，凍土的變形還要繼續(xù)發(fā)生，凍土處于流動(dòng)狀態(tài)。

三、隧道計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

采用基于彈塑性力學(xué)的有限元方法，建立未凍圍巖、圍巖及隧道襯砌相互作用的計(jì)算模型.通過(guò)對(duì)阿拉坦公路隧道溫度場(chǎng)的測(cè)試和研究可知，在洞口淺埋段存在季節(jié)性凍結(jié)圈，對(duì)該隧道的凍脹力計(jì)算，選取洞口淺埋段RK7+281斷面和隧道深埋段K6+920斷面。在隧道凍脹力的計(jì)算過(guò)程中可以把隧道開挖和襯砌施作合并為一個(gè)計(jì)算過(guò)程。

采用彈性力學(xué)方法，計(jì)算阿拉坦隧道承受的凍脹力：RK7+281斷面，σf=86.2kPa；K6+920斷面，σf=90.2kPa.采用數(shù)值模擬方法計(jì)算，考慮設(shè)有溫層時(shí)凍脹力作用：對(duì)于洞口段RK7+281斷面圍巖，加載1a后 襯砌承受116kPa的壓應(yīng)力，仰拱承受85kPa的壓應(yīng)力，到50a后，襯 砌承受186kPa壓力，而仰拱和圍巖承受24kPa.對(duì)K6+920斷面圍巖加載1a后襯砌承受103kPa的壓應(yīng)力。

結(jié)語(yǔ)

隧道是我國(guó)西北地區(qū)重要的道路形式，但是因?yàn)槲鞅钡貐^(qū)獨(dú)特的氣候條件，凍融循環(huán)會(huì)對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常不利的影響，嚴(yán)重的影響隧道車輛的運(yùn)行，安全度和可靠度不能得到保證，通過(guò)對(duì)凍融循環(huán)對(duì)寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)凍脹力的影響進(jìn)行研究，可以及時(shí)了解隧道運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)受力性狀的變化情況。把隧道計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)當(dāng)做合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)冷脹是不是符合實(shí)際的情況，在隧道建成通車之后，可以實(shí)時(shí)的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，為高寒地區(qū)隧道的設(shè)計(jì)與施工、災(zāi)害預(yù)防提供有效的技術(shù)資料。

參考文獻(xiàn)：

[1]寒區(qū)隧道防水材料長(zhǎng)期性能研究[J].來(lái)弘鵬，包衛(wèi)星，劉苗. 冰川凍土.2012（03）

[2]青藏鐵路多年凍土區(qū)典型土樣凍脹率特性研究[J].程佳，趙相卿，楊曉明.冰川凍土.2011（04）

[3]寒區(qū)破碎巖體隧道凍脹力室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)研究[J].仇文革，孫兵. 冰川凍土.2010（03）

[4]高圍壓下凍結(jié)粘土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].常小曉，馬巍，王大雁.冰川凍土.2007（04）

[5]寒區(qū)隧道溫度場(chǎng)的三維有限差分分析[J].張全勝，高廣運(yùn)，楊更社.蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版）.2006（03）endprint