高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)冷卻降溫后溫度應(yīng)力的數(shù)值模擬研究

馬超豪,梁 艷,宿 輝,汪 濤

(1. 河北省公路安全感知與監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 061102;2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 石家莊 050035;3.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院,河北 邯鄲 056038;4.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河北 石家莊 050011;5.河北交規(guī)院瑞志交通技術(shù)咨詢有限公司,河北 石家莊 050090)

0 引言

我國(guó)西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異,由于水利和交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求,經(jīng)常需要進(jìn)行深埋隧洞的施工。我國(guó)許多地區(qū)都蘊(yùn)藏著地?zé)豳Y源,而西部地區(qū)的地?zé)豳Y源尤為豐富,地?zé)嶙鳛橐环N清潔能源越來越受到了人們的重視,但在地?zé)釁^(qū)深部進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),地?zé)釁s會(huì)對(duì)施工帶來嚴(yán)重的影響,即工程建設(shè)中的高地溫問題。這些在深埋隧洞中遇到的高地溫問題,不僅給正常施工帶來嚴(yán)重影響,而且在隧洞的后期安全運(yùn)行中也存在一定的隱患。對(duì)于存在高地溫問題的隧洞,當(dāng)隧洞竣工后運(yùn)營(yíng)時(shí),低溫水流或冷空氣會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)引起混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度驟降,在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成較大的溫度梯度,由此引發(fā)的溫度應(yīng)力極可能對(duì)襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)造成損傷,極大地影響隧洞的安全運(yùn)行。對(duì)于高溫混凝土的相關(guān)問題,許多學(xué)者開展了大量的研究:謝玲兒[1]對(duì)高溫混凝土水冷卻后混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究;唐陽(yáng)[2]對(duì)高地溫隧洞噴射混凝土與圍巖粘結(jié)強(qiáng)度的微觀破壞機(jī)理進(jìn)行了研究;石明宇[3]對(duì)高地溫隧洞支護(hù)混凝土冷水降溫的溫度變化規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。但高溫支護(hù)整體結(jié)構(gòu)冷卻降溫的溫度應(yīng)力相關(guān)研究還較少。本文以實(shí)際工程隧洞的高地溫問題為基礎(chǔ),通過數(shù)值模擬并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)高溫支護(hù)結(jié)構(gòu)冷水降溫的溫度應(yīng)力進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模擬

采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)冷卻降溫過程進(jìn)行瞬態(tài)傳熱模擬計(jì)算,分析研究降溫過程中的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)。

1.1 建立模型及邊界條件設(shè)定

數(shù)值模擬采用二維模型,尺寸根據(jù)高溫支護(hù)結(jié)構(gòu)模型的實(shí)際尺寸設(shè)定。巖層底部設(shè)定為加熱邊界,混凝土表層為熱對(duì)流界面并加約束,混凝土層和巖石層側(cè)面邊界絕熱。圖1為模型示意圖。

圖1 模型示意圖(cm)

1.2 材料參數(shù)及初始條件

模型中涉及的混凝土和巖石的熱力學(xué)參數(shù)及物理力學(xué)參數(shù)如下頁(yè)表1所示。

表1 混凝土與巖石熱力學(xué)參數(shù)及物理力學(xué)參數(shù)表

模型中混凝土層和巖石層初始溫度條件如表2所示。

表2 混凝土與巖石各部分初始溫度值表

1.3 模型驗(yàn)證

通過與90 ℃工況下實(shí)際冷卻降溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),模擬溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致,且基本穩(wěn)定后的混凝土各層溫度與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致,相對(duì)誤差較小。因此,此模型較為可靠,可以以其為基礎(chǔ)進(jìn)行高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)冷卻降溫溫度應(yīng)力的研究。溫度結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖2 溫度數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2 模擬結(jié)果與分析

以模型對(duì)稱中心混凝土與巖石交界處(以下簡(jiǎn)稱中心交界處)的溫度與應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析。

2.1 溫度模擬結(jié)果

如圖3所示,不同溫度工況下高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)中心交界面處的溫度變化趨勢(shì)一致:隨著降溫時(shí)間的增加,溫度逐漸減小,且溫度變化率逐漸減小直至為0,溫度基本不再變化,隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。整體溫度變化趨勢(shì)和混凝土表中底三層的溫度變化趨勢(shì)一致。在冷卻降溫初始階段,隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土與巖石交界面處受到巖石底部加熱作用和混凝土表層冷卻降溫作用的雙重影響,結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳遞劇烈,最開始溫度變化率存在較大振蕩,隨著降溫時(shí)間增加,熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)相互之間的影響作用逐漸趨于穩(wěn)定,溫度變化率逐漸降至0。

圖3 中心交界處溫度變化率曲線圖

如圖4所示,不同溫度工況下高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)中心交界處Y方向溫度梯度變化趨勢(shì)一致:隨降溫時(shí)間的增加,溫度梯度先增加后降低。溫度梯度與溫度工況成正相關(guān),60 ℃、75 ℃和90 ℃工況對(duì)應(yīng)的Y方向溫度梯度最大值分別為735.3 ℃·m-1、906.9 ℃·m-1和1 029.4 ℃·m-1。

圖4 中心交界處溫度梯度曲線圖

2.2 應(yīng)力模擬結(jié)果

如圖5所示,不同溫度工況下高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)中心交界處Y方向溫度應(yīng)力隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致:隨降溫時(shí)間的增加,溫度應(yīng)力先急劇增加,在80 min左右達(dá)到最大值,隨后逐漸減小直至基本穩(wěn)定。60 ℃、75 ℃和90 ℃工況對(duì)應(yīng)的Y方向溫度應(yīng)力最大值分別為0.268 MPa、0.301 MPa和0.273 MPa。支護(hù)結(jié)構(gòu)整體溫度趨于穩(wěn)定后,混凝土與巖石交界處依然存在著一定的溫度應(yīng)力。

圖5 溫度應(yīng)力時(shí)程曲線圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)際高溫支護(hù)結(jié)構(gòu)冷卻降溫試驗(yàn)中的試件中心處的情況與數(shù)值模擬設(shè)定條件最相符,因此選取不同工況下的2#芯樣的實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果[4-5]。如后頁(yè)表3所示,冷水降溫后的高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土與巖石的粘結(jié)強(qiáng)度均有所損失,75 ℃工況的粘結(jié)強(qiáng)度損失最大,降低了0.232 1 MPa。

表3 冷水降溫前后拉拔試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

2.4 溫度與應(yīng)力結(jié)果分析

雖然降溫過程中的溫度應(yīng)力并不是特別大,但是在高溫支護(hù)結(jié)構(gòu)冷卻降溫的過程中,混凝土與巖體交界面處的空洞與裂隙持續(xù)受到溫度應(yīng)力的影響,使得原本存在的裂縫更加發(fā)展,并且空洞周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中,使得粘結(jié)面的結(jié)構(gòu)相比原來更加松散,從而導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度的降低。75 ℃工況下的溫度應(yīng)力最大值最大,且不同工況下相同冷卻時(shí)間時(shí)75 ℃工況溫度應(yīng)力值最大,對(duì)混凝土與巖石粘結(jié)處的結(jié)構(gòu)影響作用最大,使得粘結(jié)強(qiáng)度損失最大,與實(shí)際冷卻降溫試驗(yàn)結(jié)果相符。

對(duì)比溫度與應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):溫度應(yīng)力與溫度梯度值隨著降溫時(shí)間的增加,變化趨勢(shì)基本一致,兩者存在正相關(guān)關(guān)系。溫度應(yīng)力隨著溫度梯度的變化先后經(jīng)歷應(yīng)力急變、應(yīng)力緩變和應(yīng)力平穩(wěn)三個(gè)階段。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)冷卻降溫時(shí)混凝土與巖石交界處溫度梯度先增加后降低,直至達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)后溫度梯度值不再改變。60 ℃、75 ℃和90 ℃工況對(duì)應(yīng)的溫度梯度最大值分別為735.3 ℃·m-1、906.9 ℃·m-1和1 029.4 ℃·m-1。

(2)高溫隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)冷卻降溫時(shí)混凝土與巖石交界處溫度應(yīng)力先急劇增加,隨后緩慢降低至穩(wěn)定值。60 ℃、75 ℃和90 ℃工況對(duì)應(yīng)的溫度應(yīng)力最大值分別為0.268 MPa、0.301 MPa和0.273 MPa。

(3)60 ℃、75 ℃和90 ℃工況中,75 ℃工況的粘結(jié)強(qiáng)度損失值最大,且最大溫度應(yīng)力值和穩(wěn)定狀態(tài)溫度應(yīng)力值均為三個(gè)工況中最大。

(4)溫度應(yīng)力與溫度梯度成正相關(guān)關(guān)系,溫度應(yīng)力隨著溫度梯度的變化先后經(jīng)歷應(yīng)力急變、應(yīng)力緩變和應(yīng)力平穩(wěn)三個(gè)階段。