冻融循环对寒区隧道结构冻胀力的影响

高帅+陶雨

摘要：随着我国的公路建设，我国的西北严寒地区的道路交通以隧道这种重要的方式来呈现，但是因为气候的的特殊性，冻融循环比较明显，为了分析冻融循环对寒区隧道结构冻胀力的影响，本文就冻融循环对寒区隧道结构冻胀力的影响进行了研究，首先阐述了寒区隧道冻胀产生的力学机理；其次阐述了对于未冻土体的物理力学性质的改变；最后阐述了隧道计算模型和计算参数。

关键词：冻融循环；寒区隧道结构；冻胀力

引言

我国的社会主义市场经济发展迅速，为了寻求全国经济的协调发展，实施了“西部大开发”的发展战略，为了促进西部地区的经济发展，就必须要先修好路，所以，在我国的西部高纬度的海拔地区，越来越多的隧道建成通车，但是在这些高纬度地区，收到气候条件的影响，及其容易在隧道发生冻害，再加上我国西部地区的地下水也比较丰富，这些隧道的冻害问题影响了车辆的运行，实际上，隧道的日常的维护工作本身就比普通的公路要求要高，高海拔地区的道路建设和隧道建设话费的人力物力和财力更多，因此在隧道建成之后的维护上就更加的要重视，这关系到隧道运营的使用时间的长短问题还对其他的隧道建设起到一个借鉴作用。

一、寒区隧道冻胀产生的力学机理

寒区隧道的冻胀产生的力学的特性也是研究的一个重要的课题之一，冻土的力学结构也比较的特殊，和其他普通土的力学结构不同，隧道冻害产生的一个最主要的因素就是没有受冻的土体在经过温度的降低受冻之后力学机理完全不同，体积不断的膨胀，在冻土的形成过程中，

当温度一直不断的持续下降，一直降到能让土体受冻的温度的情况时，水分就会源源不断的向正在冻结的土壤中流动，在这一过程中，会发生相应的物理变化，土体的体积变大，据研究显示，土体的体积会是原先大百分之九，和我们的日常生活相对应就不难理解，当水继续的结冰的时候，原先的液态的水并没有一点点的流失，而是慢慢的转化为固态的水，以固态的形式继续存在，在这个过程中，土体中的液态水凝固并以冰的形式填充到土颗粒间隙中，

土体在冻胀的过程中是需要必要的条件的，并且这些条件缺一不可，缺失一个因素，在隧道中就不会产生冻胀原理，这三个因素分别是能产生冻胀的敏感性质的土壤、土壤中要有原始的水分在发生冻胀的过程中还要有水分的补给、冻结温度和冻结时间。

二、对于未冻土体的物理力学性质的改变

冻土受冻之后的强度和变形的强度都和之前没有受冻的时候有很大的差别，但是其中最大的差别就是冻土中有冰的存在。冻土和冰都是塑性体，尤其是冰的塑性变形明显。冻土的变形有不同的特性，根据温度的不同呈现出不同的特征，当空气中的温度接近0摄氏度的时候，冻土的变形呈塑性，当空气中的温度远远的小于0摄氏度的时候，冻土的变形呈弹性。冻土的变形分为不同的阶段，在第一个阶段，冻土的变形涵盖了两个状态，弹性和塑性两个状态都有体现，在第二个阶段，冻土的变形完全是塑性，并且只有这一个特性，在流动变形阶段，即使压力不再增加，冻土的变形还要继续发生，冻土处于流动状态。

三、隧道计算模型和计算参数

采用基于弹塑性力学的有限元方法，建立未冻围岩、围岩及隧道衬砌相互作用的计算模型.通过对阿拉坦公路隧道温度场的测试和研究可知，在洞口浅埋段存在季节性冻结圈，对该隧道的冻胀力计算，选取洞口浅埋段RK7+281断面和隧道深埋段K6+920断面。在隧道冻胀力的计算过程中可以把隧道开挖和衬砌施作合并为一个计算过程。

采用弹性力学方法，计算阿拉坦隧道承受的冻胀力：RK7+281断面，σf=86.2kPa；K6+920断面，σf=90.2kPa.采用数值模拟方法计算，考虑设有温层时冻胀力作用：对于洞口段RK7+281斷面围岩，加载1a后 衬砌承受116kPa的压应力，仰拱承受85kPa的压应力，到50a后，衬 砌承受186kPa压力，而仰拱和围岩承受24kPa.对K6+920断面围岩加载1a后衬砌承受103kPa的压应力。

结语

隧道是我国西北地区重要的道路形式，但是因为西北地区独特的气候条件，冻融循环会对隧道的结构产生非常不利的影响，严重的影响隧道车辆的运行，安全度和可靠度不能得到保证，通过对冻融循环对寒区隧道结构冻胀力的影响进行研究，可以及时了解隧道运营期间结构受力性状的变化情况。把隧道计算模型和计算参数当做合理的数据进行对比可以发现冷胀是不是符合实际的情况，在隧道建成通车之后，可以实时的对数据进行观测，为高寒地区隧道的设计与施工、灾害预防提供有效的技术资料。

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