隧道凍脹模擬研究

王 軍 劉俊新

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

我國永久性凍土和季節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構及運營行車的安全，給養護維修帶來極大的困難。通過有限元軟件對寒區隧道模型進行了瞬態熱分析，得到了模型內部溫度分布狀況和溫度與時間之間的變化關系。

1 模型試件概況

相似模型外部敷設保溫材料[6-8]，放入冰柜中降溫，通過監測模型內部點的溫度變化，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，具體模型材料參數見表1和表2。

表1 保溫材料參數

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

表2 混凝土材料參數

圖1 數值模型

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

2 計算分析

通過ANSYS瞬態熱分析模塊[12]，可得模型內部溫度分布以及溫度-時間變化過程。在模型內部布置了4個監測點P1、P2、P3、P4，平面位置見圖2所示。

通過對混凝土試塊降溫過程中應力監測點的數據處理，得到了試塊內部監測點最小主應力時程曲線，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 模型監測點布置

圖3 降溫至-5 ℃應力變化曲線

圖4 降溫至-10 ℃應力變化曲線

圖5 降溫至-15 ℃應力變化曲線

圖6 降溫至-5 ℃應力變化曲線

圖7 降溫至-10 ℃應力變化曲線

圖8 降溫至-15 ℃應力變化曲線

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

(2)在結冰臨界溫度附近，混凝土內部孔隙水發生相變，產生大量熱量。溫度變化較小，與此相對應內部監測點最小主應力變化也較緩慢。

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

3 結論

(1)結合埡口山隧道具體工程實例，通過室內模型試驗和數值模擬對模型進行了瞬態熱分析，得到了其內部溫度分布以及溫度-時間變化過程，為研究隧道問題提供了理論指導。

(2)運用ANSYS軟件分別對模型在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃等外邊界條件下進行計算，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力時程變化曲線，其結果對隧道保溫防凍的研究有重要的指導意義。

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