高帥+陶雨

摘要：隨著我國的公路建設(shè)，我國的西北嚴(yán)寒地區(qū)的道路交通以隧道這種重要的方式來呈現(xiàn)，但是因?yàn)闅夂虻牡奶厥庑?，凍融循環(huán)比較明顯，為了分析凍融循環(huán)對寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)凍脹力的影響，本文就凍融循環(huán)對寒區(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；最后闡述了隧道計算模型和計算參數(shù)。

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

引言

我國的社會主義市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，為了尋求全國經(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，在我國的西部高緯度的海拔地區(qū)，越來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，再加上我國西部地區(qū)的地下水也比較豐富，這些隧道的凍害問題影響了車輛的運(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)營的使用時間的長短問題還對其他的隧道建設(shè)起到一個借鑒作用。

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)生的一個最主要的因素就是沒有受凍的土體在經(jīng)過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，水分就會源源不斷的向正在凍結(jié)的土壤中流動，在這一過程中，會發(fā)生相應(yīng)的物理變化，土體的體積變大，據(jù)研究顯示，土體的體積會是原先大百分之九，和我們的日常生活相對應(yīng)就不難理解，當(dāng)水繼續(xù)的結(jié)冰的時候，原先的液態(tài)的水并沒有一點(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，在這個過程中，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，缺失一個因素，在隧道中就不會產(chǎn)生凍脹原理，這三個因素分別是能產(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)生凍脹的過程中還要有水分的補(bǔ)給、凍結(jié)溫度和凍結(jié)時間。

二、對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)度都和之前沒有受凍的時候有很大的差別，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，在第一個階段，凍土的變形涵蓋了兩個狀態(tài)，彈性和塑性兩個狀態(tài)都有體現(xiàn)，在第二個階段，凍土的變形完全是塑性，并且只有這一個特性，在流動變形階段，即使壓力不再增加，凍土的變形還要繼續(xù)發(fā)生，凍土處于流動狀態(tài)。

三、隧道計算模型和計算參數(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算模型.通過對阿拉坦公路隧道溫度場的測試和研究可知，在洞口淺埋段存在季節(jié)性凍結(jié)圈，對該隧道的凍脹力計算，選取洞口淺埋段RK7+281斷面和隧道深埋段K6+920斷面。在隧道凍脹力的計算過程中可以把隧道開挖和襯砌施作合并為一個計算過程。

采用彈性力學(xué)方法，計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)值模擬方法計算，考慮設(shè)有溫層時凍脹力作用：對于洞口段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K6+920斷面圍巖加載1a后襯砌承受103kPa的壓應(yīng)力。

結(jié)語

隧道是我國西北地區(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)會對隧道的結(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，通過對凍融循環(huán)對寒區(qū)隧道結(jié)構(gòu)凍脹力的影響進(jìn)行研究，可以及時了解隧道運(yùn)營期間結(jié)構(gòu)受力性狀的變化情況。把隧道計算模型和計算參數(shù)當(dāng)做合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以發(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)時的對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測，為高寒地區(qū)隧道的設(shè)計與施工、災(zāi)害預(yù)防提供有效的技術(shù)資料。

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