岩土力学 2018, 39(6) 2145-2154 DOI:   10.16285/j.rsm.2016.1733  ISSN: 1000-7598 CN: 42-1199/O3

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岩土工程研究
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寒区隧道
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半解析方法
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寒区隧道围岩最大冻结深度计算的半解析方法
夏才初1, 2,吕志涛1, 2,黄继辉3,李 强1, 2
1. 同济大学 土木工程学院 地下建筑与工程系,上海 200092; 2. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092; 3. 福建省建筑科学研究院,福建 福州 350025
摘要: 寒区隧道围岩的最大冻结深度是隧道抗冻胀结构设计、防排水与保温隔热层设计的重要基础参数。基于准稳态假定,采用积分法推导了能够考虑衬砌、保温层及冻结围岩中未冻水含量的寒区隧道围岩最大冻结深度的解析计算公式;利用围岩温度场数值模拟结果反演得出了解析计算公式中的参数影响半径与冻结半径比 的取值,从而得到了围岩最大冻结深度的半解析解。将所得解的计算结果与现场实测数据及数值模拟结果进行了对比,验证了所得解的合理性。利用得到的半解析解分析了工程冻土段围岩冻结深度的影响因素,结果表明:初始地温、年平均气温对冻结深度的影响最为明显,岩体骨架导热系数、岩体孔隙率的影响次之。
关键词 寒区隧道   冻结深度   半解析方法   影响因素  
Semi-analytical method of maximum frozen depth calculation in cold region tunnel
XIA Cai-chu1, 2, LÜ Zhi-tao1, 2, HUANG Ji-hui3, LI Qiang1, 2
1. Department of Geotechnical Engineering, College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. Fujian Academy of Building Research, Fuzhou, Fujian 350025, China
Abstract: The maximum frozen depth of surrounding rock is an important basic parameter in cold region tunnel design, such as frozen-preventing lining design, waterproof and drainage design, insulating layer design. To predict frozen depth of surrounding rock, various researches have been conducted, including field monitoring, numerical simulation, and derivation of practical estimation equations. In this study, a semi-analytical method is proposed to obtain the maximum frozen depth. First, the temperature acting on the lining surface is equivalent to a constant temperature according to the principle of equal annual accumulated temperature. Then, based on the quasi-steady state assumption, an analytical formula of the maximum frozen depth which considers the existing of lining, thermal insulation layer and the unfrozen water content in frozen rock is derived, using integration method. Next, the back analysis method is used to obtain the parameter which refers to the ratio of influence radius and frozen radius in the analytical formula, combined with the numerical simulation results of the temperature field. Finally, the semi-analytical solution of the maximum frozen depth is obtained. Through comparisons of the field monitoring data and the results of numerical simulation, the rationality of the proposed method is proved. Furthermore, the influence factors of the frozen depth are analyzed using the proposed semi-analytical solution, and the results show that the initial temperature and the annual average temperature have the most significant influence, and the rock conductivity coefficient and the porosity are less influential.
Keywords: cold region tunnel   frozen depth   semi-analytical method   influence factors  
收稿日期 2016-09-13 修回日期  网络版发布日期  
DOI: 10.16285/j.rsm.2016.1733
基金项目:

国家自然科学基金项目(No.41472248);国家科技支撑计划项目(No.2014BAG05B00)

通讯作者:
作者简介: 夏才初,男,1963年生,博士,教授,博士生导师,主要从事隧道与地下建筑工程、岩石力学等方面的教学与研究工作。
作者Email: tjxiaccb@126.com

参考文献:
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