不同含水条件下寒区隧道洞口段受力特性模型试验研究

发布时间：2023-04-01 01:06

　　我国青藏高原、东北北部地区及西北地区存在着广阔的冻土,随着经济的大发展,在高海拔和高纬度地区修建隧道已不可避免。调查显示,冻害是影响这些地区隧道安全运营的主要因素。通过查阅文献资料,总结了国内外专家学者对寒区隧道温度场、应力场的研究成果,并总结了寒区隧道基本理论、传热学和冻土力学等基本理论知识。目前,国内外对寒区隧道的研究成果颇丰,而本文将寒区隧道洞口段力学行为作为主要研究对象。考虑到隧道洞口段围岩的水热耦合环境,通过室内模型试验和数值模拟,研究不同含水条件下寒区隧道洞口段结构受力特性。论文主要研究内容及结果如下:根据相似理论建立了相似比为1:50的寒区隧道洞口段模型,采用不同含水率的黄土模拟不同水分条件下的围岩,并沿着隧道径向选择三个测试断面,通过模型箱中的冻结试验,量测围岩及隧道衬砌不同断面在冻结过程中温度场的分布规律,衬砌的径向和环向应力,端墙式洞门墙背所受的水平冻胀力,以及洞门和边坡的变形规律。从试验结果发现:随着含水率增加,围岩冻结速率变快,洞门墙背水平冻胀力增加12%,隧道衬砌环向应力增加10.5%,径向应力增加9.2%,洞门和边坡位移增加11%。对隧道洞口段试验模型进行A...

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究的背景及意义
    1.2 国内外研究概况
        1.2.1 寒区隧道国内外研究概况
        1.2.2 寒区隧道模型试验研究现状
    1.3 本文的研究内容及技术路线
2 寒区隧道理论研究
    2.1 寒区隧道的分类及冻害
        2.1.1 寒区隧道的分类
        2.1.2 寒区隧道的冻害
    2.2 温度场基础理论
        2.2.1 传热基本方式
        2.2.2 导热基本定律
        2.2.3 热力学三类边界条件
        2.2.4 瞬态热传导问题的有限单元法
    2.3 冻土力学基础理论
        2.3.1 冻土的工程特性
        2.3.2 土体冻胀机理
        2.3.3 考虑冻胀效应的冻土的本构方程
    2.4 本章小结
3 寒区隧道洞口段模型试验
    3.1 室内常规土工试验
        3.1.1 密度及含水率试验
        3.1.2 击实试验
        3.1.3 土的液塑限试验
        3.1.4 直剪试验
    3.2 模型设计
        3.2.1 相似理论推导
        3.2.2 试验方案确定
    3.3 试验模型的制作
        3.3.1 模型简介
        3.3.2 测点布置
        3.3.3 模型制作
    3.4 模型试验结果分析
        3.4.1 温度场分析
        3.4.2 洞门处冻胀力分析
        3.4.3 衬砌应力分析
        3.4.4 位移分析
    3.5 本章小结
4 基于ANSYS数值模拟分析
    4.1 ANSYS有限元分析方法
        4.1.1 ANSYS软件介绍
        4.1.2 ANSYS热-应力耦合分析
    4.2 耦合分析前处理
        4.2.1 创建实体模型并划分网格
        4.2.2 定义单元类型
        4.2.3 定义热性能参数
    4.3 温度场数值模拟
        4.3.1 设置求解控制及边界条件
        4.3.2 计算结果与分析
    4.4 应力场数值模拟
        4.4.1 洞门处土压力分析
        4.4.2 衬砌应力分析
        4.4.3 变形分析
    4.5 本章小结
5 结论与展望
    5.1 主要研究成果及结论
    5.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间的研究成果



本文编号：3776149