隧道冻胀模拟研究

王 军 刘俊新

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

我国永久性冻土和季节性冻土主要分布于西北部，占国土面积的70%以上，因此将有大量的冻土隧道[1-3]需要修建。寒区隧道冻害问题一直是隧道工程亟待解决的一大难题[4-5]。冻害直接威胁到隧道结构及运营行车的安全，给养护维修带来极大的困难。通过有限元软件对寒区隧道模型进行了瞬态热分析，得到了模型内部温度分布状况和温度与时间之间的变化关系。

1 模型试件概况

相似模型外部敷设保温材料[6-8]，放入冰柜中降温，通过监测模型内部点的温度变化，分析保温材料的保温性能以及模型在温度降低的过程中产生的冻胀力[9-11]。相似模型材料分为饱水和自然条件下两种情况，具体模型材料参数见表1和表2。

表1 保温材料参数

根据模型的物理尺寸以及边界条件，取物理模型的1/4作为计算模型，中间对称面施加对称边界条件。通过ANSYS建立如图1所示的模型。

表2 混凝土材料参数

图1 数值模型

模型初始温度为20 ℃，整个模型尺寸外边界条件分别为-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃。模型内部温度与外界温度一致为计算终止条件，通过瞬态热分析可得模型内部点的温度变化过程。

2 计算分析

通过ANSYS瞬态热分析模块[12]，可得模型内部温度分布以及温度-时间变化过程。在模型内部布置了4个监测点P1、P2、P3、P4，平面位置见图2所示。

通过对混凝土试块降温过程中应力监测点的数据处理，得到了试块内部监测点最小主应力时程曲线，如图3～图5为无隔热板试块，图6～图8为聚酚醛保温板隔热试块。

图2 模型监测点布置

图3 降温至-5 ℃应力变化曲线

图4 降温至-10 ℃应力变化曲线

图5 降温至-15 ℃应力变化曲线

图6 降温至-5 ℃应力变化曲线

图7 降温至-10 ℃应力变化曲线

图8 降温至-15 ℃应力变化曲线

(1)饱水混凝土试块降温过程的最小主应力为自然含水条件混凝土最小主应力的30倍左右。饱水混凝土试块在降温过程中具有突变点，自然含水率条件混凝土最小主应力随温度降低最小主应力开始阶段迅速增大，最后随混凝土内部温度趋于均匀，最小主应力也趋向稳定。

(2)在结冰临界温度附近，混凝土内部孔隙水发生相变，产生大量热量。温度变化较小，与此相对应内部监测点最小主应力变化也较缓慢。

(3)无隔热板混凝土降温过程中温度下降较快，应力梯度较大，敷设隔热板后内部热量散发较慢，温度梯度减小，应力增加较缓慢。

3 结论

(1)结合垭口山隧道具体工程实例，通过室内模型试验和数值模拟对模型进行了瞬态热分析，得到了其内部温度分布以及温度-时间变化过程，为研究隧道问题提供了理论指导。

(2)运用ANSYS软件分别对模型在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃等外边界条件下进行计算，得出了无保温材料模型和保温材料模型在饱水情况以及自然条件下的应力时程变化曲线，其结果对隧道保温防冻的研究有重要的指导意义。

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