《考慮凍脹效應的寒區隧道圍岩變形演化機理研究》是依託山東科技大學，由馮強擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：考慮凍脹效應的寒區隧道圍岩變形演化機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：馮強
- 依託單位：山東科技大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
凍害是導致寒區隧道災變發生的重要因素，而探明考慮凍脹效應時圍岩的變形演化規律是預防災變發生首要解決的問題之一。首先，通過室內試驗研究圍岩的凍脹特性和蠕變特性，獲得凍脹量與溫度的關係以及凍結圍岩的黏彈塑性變形關係，在此基礎上修正圍岩的本構方程使其能同時考慮凍脹和蠕變過程，並建立描述凍結圍岩蠕變強度非線性特徵的屈服準則；其次，根據凍脹變形特徵建立寒區隧道未凍（融）圍岩-凍結圍岩-襯砌相互作用力學模型，採用疊代法確定凍脹零位移的位置並求解模型，初步探討圍岩應力與變形的時空演化規律；再次，結合新建本構模型和屈服準則，採用ADINA軟體進行二次開發，通過蠕變試驗數據驗證完善計算程式，利用算例的數值結果驗證理論模型獲得的應力與變形規律，系統分析計算結果，深入揭示寒區隧道圍岩變形破壞的機理，建立穩定性評價準則；最後，分析圍岩穩定因素，明確並最佳化關鍵因素，提出合理的支護措施來保證寒區隧道工程的穩定。
結題摘要
隨著一帶一路倡議推進以及近年來振興東北老工業基地和西部大開發戰略政策的實施，一些國家級大型基建項目將迎來建設的高峰，而這些地區都屬於高緯度或高海拔地區，修建的隧道將面臨著凍害的威脅。針對該問題分析寒區隧道溫度場和圍岩應力與變形規律，可為寒區隧道的安全建設和穩定運營提供了一定的指導。 開展不等壓條件下寒區隧道圍岩應力與變形研究，採用已建立的凍脹本構模型，並將計算模型分解為開挖模型和凍脹模型，開挖模型採用複變函數法進行求解；通過擬合數值模擬計算結果建立補充方程，在此基礎上通過疊代計算方法求解凍脹模型；疊加開挖模型和凍脹模型即可獲得總應力和變形。 為了準確預測凍脹對隧道安全的影響，建立考慮非均勻凍脹計算模型。根據支護強度和支護時機的不同，將計算模型細分為三種情況：(1)rprf；根據凍脹線應變的不同取值（0和0.0055），對比應力分布情況和塑性半徑的大小顯示：凍脹不促進塑性區的發展但是增加襯砌中的應力差，這是導致寒區隧道穩定的一個主要因素。 根據寒區隧道的變形特徵，考慮寒區隧道圍岩凍脹變形的各向異性，修正凍結圍岩的本構方程，結合D-P強度準則建立圍岩應力分析模型並獲得了圍岩應力與變形的彈塑性解。計算結果顯示考慮非均勻凍脹下的塑性半徑和凍脹力比均勻凍脹結果偏大。 採用自動溫度監測儀對該隧道進行現場觀測，得到隧道不同徑向深度處的溫度變化規律；分析現場採用5cm保溫層防護時的可靠性，結果表明在襯砌壁後仍存在0.4m的凍結範圍；同時分析了凍結鋒面的擴展規律，得出拱肩和底板是凍結鋒面擴展速度最快、距離最遠的部位，視為整個斷面的危險位置。 採用Laplace積分變換和有限傅立葉正弦變換的方法求解三維軸對稱溫度場模型，獲得了隧道的溫度分布規律；開展凍土不均勻凍脹特性試驗，研究不均勻凍脹係數隨受力狀態的變化規律；進行凍土的力學特性試驗，研究強度參數隨溫度的變化規律。
