（道路与铁道工程专业论文）高海拔冻土隧道施工围岩温度场数值分析.pdf

摘要 摘要 本论文以青藏铁路昆仑山隧道为背景，针对该隧道海拔高、高寒区的自然 环境、多年冻土的不良地质条件，分析隧道施工对围岩温度场的扰动规律。 冻土隧道施工中，开挖、初衬、保温层和二衬等作业，产生的施工热量及 洞内外空气的热交换，将影响冻土围岩原始地温场。这种地温场的扰动，破坏 了冻土地层的热力学平衡，使其冻土的热物理力学性能发生改变，其中包括冻 土的融沉性、冻土回冻过程的膨胀性以及隧道的稳定性等工程力学性能。因此， 保护冻土、减少施工对冻土原始地温场的扰动是冻土隧道施工的重要控制因素 之一。 根据高海拔、高寒区、冻土隧道特征，建立围岩导热控制微分方程，应用 a n s y s 5 7 大型有限元计算软件，对施工各工序中围岩温度场迸行模拟，找出施 工各工序对围岩原始地温场扰动的规律；着重分析了毛洞暴露时间、混凝土水 化热对冻土围岩地温场的影响；也分析研究了洞内初始气温与原始地温对隧道 围岩地温场的影响，以及隔热保温层对保护冻土的贡献；同时，针对不同融化 圈深度，对其毛洞阶段与初衬阶段进行了洞室稳定性分析。据此检算隧道衬砌 结构的力学行为，以保证结构的安全。 冻土隧道围岩温度场理论模型的建立和旋工过程的数值模拟，较好地解决 了隧道力学和热力学的交叉课题，揭示了施工环节对围岩温度场扰动的规律及 具体数值，对施工作业和工序安排、改善衬砌受力、确保工程质量有指导作用， 也为今后类似工程的设计与施工提供理论依据与参考。 关键词：隧道，多年冻土，围岩，温度场，稳定性 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h eb a dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ( h i g ha l t i t u d e ，h i g l ic o l dr e g i o n ， p e r m a f r o s te t c ) o fk u n l u n s h a nt u n n e l ，q i n g i l a i t i b e tr m l w a mt h i sp a p e ra n a l y z e st h e i n f l u e n c er u l e so f t u n n e lc o n s t r u c t i o no ns u r r o u n d i n gm c kt e m p e r a t u r ef i e l d d u r i n gt u n n e lc o n s t r u c t i o ni np e r m a f r o s tr e g i o n s ，c o n s t r u c t i o nh e a ta n dh e a t e x c h a n g eo fa i ri n s i d ea n do u t s i d et h et u n n e lc a u s e db ye x c a v a t i o n ，p r i m a r yl i n i n g i n s u l a t i o na n ds e c o n d a r yl i n i n gw i l la f f e c to r i g i n a lg r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l do ft h e s u r r o u n d i n gr o c k t h i si n f l u e n c et h e nw i l ld e s t r o yt h e r m o d y n a m i c sb a l a n c eo ft h e p e r m a f r o s ts t r a t u ma n dc h a n g em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ( t h a w i n ga n ds i n k i n g ， d i l a t a b i l i t y , s t a b i l i t yo ft u n n e l ，e t c ) o fp e r m a f r o s t s o ，i ti so n eo ft h ei m p o r t a n t c o n t r o l l i n gf a c t o r so f t u n n e lc o n s t r u c t i o ni np e r m a f r o s tr e g i o n st op r o t e c tp e r m a f r o s t a n dt or e d u c et h ei n f l u e n c eo fo r i 百n a lg r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l dc a u s e db y c o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲a l t i t u d e ，h i g hc o l d r e g i o na n d p e r m a f r o s tt u n n e l ，t h eg o v e r n i n gd i f f e r e n t i a le q u a t i o no ft h eg r o u n dt e m p e r a t u r e f i e l da r ee s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h es u r r o u n d i n gr o c kt e m p e r a t u r ef i e l do f d i f f e r e n tw o r k i n gp r o c e d u r ei ss i m u l a t e du s i n gf i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y s 5 。7 ， t h er u l e so fs u r r o u n d i n gr o c kt e m p e r a t u r ef i e l da r ep r e s e n t e d t h ei n f l u e n c e so f u n c o v e r e dt i m e o fg r o s st u n n e la n dh y d r a t i o nh e a to fc o n c r e t ea r ea n a l y z e d p a r t i c u l a r l y t h ei n f l u e n c e so fi n i t i a la i rt e m p e r a t u r ei n s i d et h et u n n e la n do r i g i n a l g r o u n dt e m p e r a t u r ea r ea n a l y z e di nd e t a i lt o o ，b yw h i c ht h ef u n c t i o no fi n s u l a t i o n m a t e r i a lt op r o t e c tp e r m a f r o s tc a nb ee x p l a i n e d b a s e d0 1 1d i f f e r e n td e p t ho f t h a w i n g r a n g e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t a b i l i t yo ft u n n e ld u r i n gt h es t a g e so fg r o s st u n n e la n d p r i m a r yl i n i n g ，a c c o r d i n gt ow h i c hm e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h el i n i n gs t r u c t u r ec a n b ec h e c k e dt oe n s u r et h es a f e t yo f t h es t r u c t u r e t h ee s t a b l i s h m e n to ft h et h e o r e t i cm o d e lo fs u r r o u n d i n gr o c kt e m p e r a t u r ef i e l d a n dt h en n m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o n s t r u c t i o nc a ns o l v et h ei n t e r c o u r s eb e t w e e n t 1 1 n n e lm e c h a n i c sa n dt h e r m o d y n a m i c sp r e f e r a b l y , d i s c o v e r i n gt h er u l e so ft h e 一一竺竺! _ _ _ ，一 s n r r o u n d i n gr o o kt e m p e r a t u r ef i e l da n d c o n c r e t ev a l u e s ，n o to n l yd o e si tp r o v i d ea g u i d a n c et ot h ec o n s t r u c t i o nw o r ka n da r r a n g e m e n t ，t h ei m p r o v e m e n to fa c t i o no f t h el i n i n 2a n dt h ee n s u r e n c eo ft h ep r o j e c tq u a l i t y , b u tc a r la c ta st h e o r e t i cb a s i sa n d r e f e r e n c ef o r t h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs i m i l a rp r o j e c t sl a t e r k e yw o r d s ：t u n n e l ，p e m a a f f o m ，s u r r o u n d i n gr o c k ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谓 意。 签名：盈盟叁日期：塑! 12 ：至7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 f 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：亟垒亟导师签名：皋釜塾日期：坦生! 呈：兰7 第一章绪论 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 随着我国改革开放的深入，经济的迅速发展以及西部大开发战略的实施， 使得青藏铁路的修筑成为必要。青藏高原是世界上面积最大、海拔最高的高原， 其多年冻土地区气候恶劣，日温差大，1 日中出现正负温的同数每年有1 8 0 d 左 右( 比东北严寒地区多1 倍左右) 。青藏铁路穿越多年冻土地段，冻土问题是青 藏铁路的一大难题，其特殊性和复杂性在世界上是独一无二的。 冻土与融土的最重要差别在于冻土中含有冰体，并且正冻土和已冻土中存 在着温度梯度作用下的水分迁移现象。由于冻土中冰的胶结连接作用，保持负 温不变条件下冻土具有较高的坚硬度和强度，但当温度升高或降低时( 包括在 负温范围内) ，冻土的性质将发生重大变化，从丽决定了冻土的强度具有不稳定 性。当冻土融化时，结构中的冰胶结作用随郎产生破坏，冻土显著变形，压缩 性和透水性显著增大，强度和稳定性明显降低，融化处发生快速的局部下沉， 并常伴随有已融土的稀释体从承重面挤出；雨当土壤冻结时，伴随土中孔隙水 和外界水源补给水结晶形成多晶体、透镜体和冰夹层等形成的冰侵入体，土体 体积增大，导致地表产生不均匀冻胀，由此将对修筑于冻土上的各类建筑物产 生根本无法允许的变形和破坏。 多年冻土区的工程实践和科学研究使人们逐渐深刻地认识到，冻土温度场 是冻土生成条件、冻土工程、冻土环境、冻土改造和冻土预报的基础，是联系 普通冻土学和工程冻土学的纽带。与土壤冻结和融化有关的水分迁移过程、成 冰规律和冻胀融沉现象等在一定条件下实际上完全由过程的热状态决定。无论 是研究冻土的区域分布规律、物理力学性质，还是选择冻土地区工程建筑物设 计的原则、确定具体的设计参数，都需要了解并掌握冻土的温度场分布情况， 因此，对冻土温度场的研究是工程冻土学研究的主要内容之一【2 】。 隧道结构是否安全可靠，首先取决于周围地层的稳定状态。因而设计和修 建隧道时，必须全面考虑自然因素与工程地质条件以及施工、运营和养护等因 素，确保周围地层具有足够的强度、稳定性和耐久性。然而，由于冻土的冻胀 第一章绪论 融沉特性，冻土地层普遍存在着严重而特殊的病害，这不仅使隧道使用年限缩 短，运营条件变坏，而且需增加许多非生产性劳动、材料及投资去养护、控制、 削弱和治理冻土隧道工程的方法和措施，确保多年冻土区隧道工程的稳定性、 耐久性和经济合理性，并使沿线自然景观不断得到改善，就必须全面了解隧道 围岩温度场的动态特征以及对围岩稳定性的影响，正确认识和准确预报冻土温 度场的变化特征，掌握工程环境随时间的演化所要发生以及可能发生的问题， 为寒区隧道工程的设计、施工、运营和养护提供决策依据。 与气候变化对冻土温度场的影响相比，人类的各类工程活动和经济活动的 影响更直接、更大。人类工程经济活动极大地影响了寒区土的冻融作用，造成 了脆弱冻土环境及生态环境变化。在隧道旌工过程中，隧道内的空气温度高于 围岩的原始地温，且在修筑衬砌灌注混凝土时，水泥会放出大量的水化热，从 而使得多年冻土区的冻土围岩融化，导致围岩稳定性降低，带来不良后果。1 9 9 9 年1 月5 7r 在北京召开的中国铁路重大工程地质问题研讨会上，“铁道工程作 用下高原冻土的融沉及其危害”问题已被我国专家列为铁道工程地质研究的重 大课题之一，足见研究冻土温度场的重要性和紧迫性。 研究围岩冻土温度场的根本目的就在于预测冻土温度场的变化规律及其可 能导致的融沉与冻胀破坏，提出调控冻融过程的方法和治理各种冻害的措施， 确保高寒区、冻土隧道工程具有稳定性、耐久性和经济合理性。尽管这一问题 的研究已经取得了很大进展，但在全球范围内，冻土的融沉和冻胀问题迄今为 止仍然是严重影响冻土隧道工程稳定性的突出问题，许多方面的研究仍处于空 白或需要进一步深化【瑚】。 长期以来，我国多年冻土区的道路工程主要是按保护冻土原则设计和修筑 的，在气候变暖、冻土退化和人类各种工程与经济活动对冻土温度状况的影响 不断扩大的背景下，冻土温度场的研究正面临新的挑战：如何确保寒区现有隧 道工程的稳定性，冻土区新的隧道工程应怎样设计、施工和养护，这需要冻土 温度场的研究尽快作出准确的回答，并提出解决问题的原则与具体措施。 在多年冻上区隧道施工过程中，为了确保围岩的稳定性，多年冻土的融化 深度越小越好。因此，计算隧道围岩冻土温度场的变化规律，得出多年冻土的 融化圈，进一步计算围岩应力和位移，提出有效的施工方案是必要的，为以后 多年冻土区工程的设计和施工提供理论依据和参考。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 冻土研究概况 冻土是广泛分布在地球表层的一种低温地质体，且冻土区有丰富的土地、 森林和矿藏资源，它的存在及其演变对人类的生存环境、生产活动和可持续发 展具有重要影响。根据冻土存在时间的长短，地球上主要分布着两种冻土：一 种为多年冻土，两年以上处于冻结状态，只有表层几米的土层处于夏融冬冻的 状态：另一种为季节冻土，只在地表几米范围内冬季冻结夏季消融。 冻土的分布面积约占全球陆地面积的2 3 ，主要分布在俄罗斯、加拿大、 中国和美国的阿拉斯加等地，其中我国的多年冻土分布面积约占世界多年冻土 分布面积的1 0 ，占我国国土面积的2 1 5 ，季节冻土分布面积占国土面积的 5 3 5 t ”。 我国冻土研究起步较晚，晟早见于1 9 5 8 年出版的多年冻土的工程地质和 铁路建筑一书，是对东北多年冻土地区铁路建设的总结。从1 9 6 0 年起，铁道 部科学研究院西北研究所与铁道部第一勘测设计院、中国科学院寒区早区环境 与工程研究所等有关部门，开始对青藏公路沿线冻土进行考察和定点观测研究， 尤其在铁路科学研究大会战期间，对青藏铁路沿线进行了多学科的综合性研究， 取得了大量的研究成果。2 0 世纪7 0 年代中期到2 0 世纪9 0 年代中期，随着中央 决定青藏公路修建工程的实施，取得了丰富的科研成果。在高原多年冻土地区 公路工程地质研究中，采用探地雷达与钻、坑探相结合的综合勘探方法，取得 了公路沿线详细、连续的冻土工程地质资料，根据青藏公路冻土温度与气温、 海拔、纬度的关系，提出了路基工程地质分区、分类，对冻土环境和多年冻土 地温带的变化趋势进行预测。我国冻土科学研究工作者结合工程实践开展了大 量野外调查分析研究、室内实验研究和计算机数值分析，取得了丰硕的成果， 突出的表现在土体冻胀和盐胀机理研究及冻害盐害防治等方面。研究成果除以 论文的形式发表在国际多年冻土会议论文集和国内专业性杂志上外，比较集中 的反映在土的冻胀与建筑物冻害防治( 童长江，1 9 8 5 ) 、冻结凿井冻土壁的 工程性质( 吴紫汪，1 9 8 8 ) 、冻土的温度水分应力及其相互作用( 安维东， 1 9 8 9 ) 、冻土中水分迁移的实验研究( 徐学祖，1 9 9 1 ) 、冻土强度和蠕变( 吴 紫汪，1 9 9 4 ) 、冻融土中水热输运问题( 李述训，程国栋，1 9 9 5 ) 、多年冻土 第一章绪论 退化与道路工程( 藏恩穆，1 9 9 9 ) 、冻土物理学( 徐学祖，2 0 0 1 ) 等专著中0 1 。 国外俄罗斯是世界上最早注意到冻土上的建筑条件的国家。在1 9 0 4 年时修 建的阿穆尔和外贝加尔铁路时遇到了大量的冻土问题，1 9 1 2 年俄罗斯学者出版 了永久冻土与永久冻土上的建筑物一书，阐述了在永久冻土条件下建造建 筑物的方法，为冻土学的发展做出了巨大的贡献，促进了俄罗斯的冻土研究工 作。1 9 2 7 年m i 苏姆金发表的苏联境内的多年冻土专著，标志着冻土成为 一门专门的学科。1 9 5 8 年，n a 崔托维奇出版的专著冻土地基与基础比较 系统的阐明了冻土的基本物理性质、力学性质、冻土中的物理力学过程及冻土 上基础设计、施工方法。1 9 7 0 年原苏联科学院出版了房屋及构筑物与永久冻 土的相互热作用一书，论述了冻土融化深度和正融土沉降预报。 美国陆军部寒区研究与工程实验室( c r r e l ) 从二战开始，为解决阿拉斯 加等寒区的道路、机场及其它军事设施的建筑问题，开展调研积累多年冻土区 特殊工程的设计标准与施工准则的素材。1 9 8 0 年c 褂也l 出版了深季节冻土区 和多年冻土区基础设计和施工一书，提出了深季节冻土区和多年冻土区特殊 工程设计标准和施工准则【2 】。 在加拿大，冻土研究的蓬勃发展也主要源于极地多年冻土区石油天然气等 资源的开采，在工程实际建设当中，与采用融化的方法比较起来，偏重保持地 基土冻结状态的方法。当然在公路运营期间，保持地基土的冻结状态，对保证 路基的稳定性而言，将形成最有利的条件。 1 2 2 冻土温度场的发展状况 冻土温度场已有1 7 0 多年的研究历史，但直到1 9 世纪前期，冻土及其温度 场的研究基本仍为初步探索过程。1 8 9 0 年俄国成立了冻土研究委员会，此后开 展了较广泛的研究。进入2 0 世纪，苏联又经历了1 9 4 5 1 9 6 0 年和1 9 6 1 1 9 7 1 年 两个较快的发展时期。开展了与温度有关的热力学、热物理学、土壤水热改良、 工程建筑稳定性以及地球表面和岩石圈温度场的形成等方面的实验研究和以解 析解为主的理论计算研究。2 0 世纪7 0 年代后，计算机和数值方法在苏联冻土领 域广泛应用。使以前难以解决的复杂几何形状和地质条件，考虑热质交换的非 线性问题的深度和j 。度都有了新的发展。真正开始理论性研究并作为这门学科 理论的奠基人为cym tm h m ，m 。在温度场等热物理研究方面出现了ky 7 i phb1 2eb ba 等代表人物。 一d 一 第一章绪论 北美、西北欧等其它国家和地区，与苏联一样主要是自然资源的开发推动 了这些国家冻土温度场及其有关学科研究的发展。2 0 世纪阿拉斯加金矿的开采、 1 9 4 2 年北美战备公路的严重冻害，开始了本课题从理论上较全面的研究。在加 拿大，这项研究的蓬勃发展也主要源于极地多年冻土区石油天然气等资源的开 采。2 0 世纪7 0 年代这些国家相继进入研究的高潮，除自然资源开发的需要外， 其主要原因之”是现代监测手段和计算技术在冻土研究中得到广泛应用，并求 得了一维非线性温度场的数值解。同期还发展了与温度有关学科的研究。 r e y n o l d s 和e m a n u e l 对表面效应与温差的特性进行了研究，随后的研究主 要是预测不同桥型的温度场分布。1 9 7 5 年，k e h l b e c k 假定热流动是一维的，给 出了这类问题的理论解。e m e r s o n 提出了有限差分模型，h u n t 和c o o k e 对其进 行了改进。许多学者都研究过管道表面结冰的问题。e l m e r 提出了与此问题相关 的准静态解；p e k e r i s e t a l 给出了一阶正确准静态解：h w a n g 考察了由c a r s l a w e t a l 提出的埋设管道冻结的二维数值解的正确性：正冻和正融土热物理学一书( n o p x a e 8 ，1 9 6 4 ) 论述了正冻、正融土中的热质迁移。随后，冻土温度状况计算 方法( mej ib 且mah ，1 9 7 3 ，徐学祖等译，1 9 8 2 ) 一书讨论了关于冻土温 度场的多种计算方法，为以后人们计算、研究提供了理论依据卅7 1 。 我国冻土温度场的研究起步较晚，正式开始温度场理论研究仅有5 0 余年历 史。2 0 世纪5 0 年代余力教授开始对人工凿井温度场的研究；徐攸( 1 9 6 2 ) 研究 了天然细沙地基的温度场。在此期间，主要开展室内外观测和实验的经验方程 的计算研究。用稳定、非稳定一维线性问题的解析法和半解析法进行研究。2 0 世纪6 0 年代，z n k 开始研究公路桥的温度行为通过对几座桥梁的调查，认为桥 梁的温度场分布大气温度、风、湿度、太阳辐射、材料。 2 0 世纪8 0 年代以后，世界各先进寒区国家的冻土研究利用其它学科成就推 动本学科向前发展。主要向着多维多相非线性问题和多场相互作用问题理论模 型的建立和求解发展：向着研制和应用现代化高效能高精度的试验技术发展。 在温度场计算方面国内外学者专家们做了大量的工作，如2 0 世纪8 0 年代杨诗 秀等人的土壤冻结条件下的水热耦合迁移的数值模拟；安维东等人的渠道冻结 时热质迁移的数值模拟；1 9 8 2 年只本北海道大学低温科学研究所木下诚一论述 了土体冻胀机理、冻结和冻胀的数学解析及人工冻土利用。国内土的冻胀与 建筑物冻害防治( 奄长江、管枫年，1 9 8 5 ) 、冻土的温度水分应力及其相互作 用( 安维东等，1 9 8 9 ) 、冻结凿井冻土壁的工程性质( 吴紫汪、丁德文等， 5 第一章绪论 1 9 8 8 ) ；2 0 世纪9 0 年代，李述训的立井冻结法凿井工程中的热工计算，对不同 的温度场进行了计算。何春雄等建立了隧道内空气与围岩对流换热及固体传热 影响的综合模型，分析了隧道内空气分别为层流和紊流的情况时，隧道内气温 及围岩冻结、融化状况；赖远明等根据传热学和渗流理论导出了带相变的温度 场和渗流场耦合问题的控制微分方程，应用伽辽金法导出了这一问题的有限元 计算公式，以大坂山隧道为例考察了渗流和保温层对隧道围岩冻深的影响规律。 陈尚桥、黄润秋用有限元反演的方法对深埋隧洞地温场进行了数值模拟研究， 并对进一步掘进时的地温场变化作了预测。何春雄等曾就壁面温度随气温周期 性变化的情况，分析计算了隧道围岩的温度场。冻土中水分迁移的实验研究 ( 徐学祖、邓友生，1 9 9 1 ) 、冻融土中的水热输运问题( 李述训、程国栋，1 9 9 5 ) 等几本专著从不同侧面论述了有关冻土温度场的问题，在冻土温度场研究方面 做出了重大贡献p j 。 长期的工程实践和科学研究，使人们认识到冻土温度场是冻土生长条件、 冻土工程、冻土环境、冻土改造和利用以及冻土预报等问题研究的基础。它将 普通冻土学和工程冻土学密切联系，成为深入研究冻土学的纽带。 自从g a l i e l o 系统地引进实验方法和n e w t o n 奠定物理学的理论基础以来， 近代科学方法一直分为实验研究和理论分析两大方面。实验研究观察实体本身， 理论分析求出由数学模型所代表的结果。因此，一个物理过程的最可靠数据资 料应该由实验测量得到。然而，采用实物进行实验研究是极其昂贵的，有些条 件下甚至是不可能实现的：而模型实验并不是总能模拟实体的各方面特征，测 量在许多情况下存在着相当大的困难，测量仪表本身也存在着误差，且所得结 果推广到实体时无一般规律可循，所以，实验研究效能不高，必须与其它方面 相结合。理论分析基于根据实际的物理模型和实验结果建立的数学模型，即描 述物理过程的一组微分方程。尽管数学模型解析解的结果具有普遍意义，但由 于实际问题中只有很少一部分方程组可以获得解析解，而得到的解析解往往含 有无穷级数、特殊函数以及关于特征值的超越方程，应用价值不高。因而，经 典的数学方法无疑不能为求解现代科学、技术、工程中的大量数学模型提供足 够的实际可行的途径。 就理论研究文献而言，冻土温度场研究已经从早期的定性描述发展到今天 利用计算机进行数值模拟分析。期问经历了观测实验经验方程、大为简化的计 算近似处理、均质一维、二维线性稳定问题和一维非稳定线性问题的解析计算， 第一章绪论 以及近期的数值模拟研究等发展过程。 经验方程一般为观测实验结果的统计表达式。它主要考虑某些重要影响因 素，对其它的影响因素则以修正系数的形式表示。近似计算对问题做出抽象后， 在数学上大为简化了计算公式。因此他们均是以满足一般工程计算为i i 的的近 似计算方法。在一般的工程课题计算中，不可能要求计算公式所得的精度比给 定的基本参数更高。当然要考虑到计算对所计算问题的影响程度和是否满足实 践要求。此外，在冻土学科发展前提下，计算手段落后以及野外考察条件的限 制，往往以手工计算为主。为了计算简便起见，对在工程精度允许范围内的近 似公式一直得到普遍的推广和应用。 线性稳定温度场理论主要研究冻结层和融土层内单向和平面的温度分布问 题。如近似的研究最大冻结深度和最大融化深度内拟定稳定阶段的温度场问题， 以及多年冻土上限以上基本无相变的冻土温度场问题。稳定温度场忽略了时间 变化产生的影响。由于根据稳定温度场建立起来的公式一般比较简单，使用也 比较方便，所以凡是能用稳定温度场公式解决问题的地方尽量使用这一公式。 但要严格把握应用范围。 为了解决冻土温度场随时间变化和相变影响问题，发展了一维线性相变问 题的解析解。自从非稳定相变温度场理论问世以来，冻土温度场的解析方法研 究有了新的突破。非稳定温度场理论比稳定温度场理论更趋完善，更符合实际。 它最大的优越性是可以解决整个过程的发展变化情况，迄今已广泛应用于生产 实践中。但一般来说，解析法只适用于几何形状简单，均质各项同性的情况。 目前最大时间尺度和平面、空间等非稳定温度场问题方面解析计算尚很困难， 因而限制了它的应用范围。这对深入理论研究提出了解决计算方法的课题。 随着电子计算机的出现和飞跃发展以及伴随的计算方法的不断改进，正在 把数值模拟方法推向人类科学研究活动的前沿。借助计算机和有限元、有限差 分、边界元等数值计算方法，人们几乎能对任何一个描述实际问题的数学模型 求出数值解，数值模拟方法已上升为_ 种对科学的定量研究起重要作用的、与 实验研究和理论分析相并列的第三种科学方法。在物理过程可以用确定的数学 模型近似描述的前提下，数值模拟方法具有其它方法无可比拟的一些优点：可 以模拟真实条件和理想条件的状态；成本低；计算速度快；获得的数据资料完 备。因而数值模拟方法被认为是一种大有前途和卓有成效的方法，采用数值模 拟方法可以较少实验的工作量，拓宽研究的范围，深化研究的内容和提高研究 一7 第一章绪论 成果的质量。从某种意义上说，在特定参数下进行一次数值模拟相当于进行了 一次试验，历史上就曾有过首先通过数值模拟发现新现象而后又由实验验证的 例子。2 0 世纪7 0 年代以来，数值计算方法在冻土温度场研究中的采用，使以前 由于几何形状复杂、地质条件特殊而难以解决的有关冻土温度场的一些难题， 比如热质交换的非线性问题的研究在深度和广度上都有了较大的发展。目前， 数值模拟方法已被认为是冻土预报中最有效、最基本的方法之一。因此，在冻 土温度场的研究中有必要采用数值模拟方法。事实上，即使在进行实验研究时， 人们也希望同时获得数值模拟求得的数值解，以补充资料和进行理论分析。可 见，在冻土温度场的研究中，数值模拟方法是有力的工具，进行数值模拟研究 是完全必要的。 为适应寒区科技的发展和面向国民经济建设主战场的需要，我国冻土学研 究正在实现从工程到资源、环境，从描述到预测、预报，从认识到改造、利用 的三大转变，我幽寒区的开发和道路工程的修建、养护与提高道路等级工作的 发展，促使冻土热状况动态特征数值模拟的研究不断深入。 1 3 主要研究内容 ( 1 ) 高海拔、高寒区、冻土隧道洞内施工围岩温度场理论模型的建立； ( 2 ) 计算分析了洞内的温度及原始地温对围岩温度场的影响： ( 3 ) 计算了混凝土浇注过程中水泥的水化热、混凝土内部温度以及混凝土绝 热温升，并分析、讨论了水泥的水化热对围岩温度场的影响； ( 4 ) 计算模拟了不同施工工序( 毛洞、初衬、保温层和二衬) 对围岩地温场的扰 动规律，获得了不同工序时的围岩融化圈深度和温度影响圈深度： ( 5 ) 针对冻土融化圈的不同深度，对隧道围岩的应力场、位移场及隧道稳定 性进行了计算分析。 第二章冻土的基本理论 第二章冻土的基本理论 2 1 冻土的成分、构造及其力学性质 我国北方和西部与西南高山地区，分布着广大的冻土地带。在这些地区的 一切生产活动和经济活动、自然环境的利用和保护，都受它的影响。地基土的 冻结融化等地质作用，给建筑工程设旖造成的危害，已越来越引起重视。通过 长期的工程实践和科学研究，人们逐步认识了冻土冻结融化的变化规律及其有 关特性，了解冻土的有关基本原理和特性，对工程设计、施工与管理都是十分 必要的。 2 ，1 1 冻土的成分与构造特征 冻土是较复杂的四相体系。其基本成分是固体矿物颗粒、粘塑性的冰包裹 体、液相水( 未冻水和强结合水) 和气体包裹体( 水气和空气) 。 ( 1 ) 固体颗粒是冻土的骨架成分，对冻土性质( 如冻土矿物颗粒尺寸、形状、 分散度、矿物成分等) 有重要影响，而这些特征对冻土的物理力学、物理化学性 质又有直接影响。 f 2 1 冰是构成冻土的必需组分，它是胶结土粒骨架的固态水。冰是一种物理 化学性质极为特殊的单矿物低温水化岩石，结构很不稳定，受温度影响极大。 当温度降低达到一定负温时，极为致密、坚硬的有序结构，当温度升高时，分 子间的连结作用削弱，冰的强度降低。冰有强烈的各向异性，当力作用在不同 方向时表现出冰的粘塑性变形与脆性。冰在很小的荷载作用下产生流动变形， 只有在瞬时荷载作用下爿有弹性。冻土温度或作用荷载变化时，还发生冰一水 相转变。冻土中的冰相成分制约了冻土的结构特征和物理力学性质。 ( 3 ) 冻土中的液相水主要是未冻水。在一般负温条件下，冻土中总含有未冻 结的液态水，它主要存在于冻结细粒土中，是土粒表面吸附的强结合水。冻土 中未冻水与土的矿物成分、可溶盐含量、冻结温度、外部荷载作用有关。冻土 中的未冻水含量及其在外界作用下的变化，多方面制约着冻土的物理、热学、 电学及力学性质。 ( 4 ) 冻土中的气态成分是水气和空气。一般仅在冻土未被水和冰完全饱和的 9 一 第二章冻土的基本理论 物含量有关。 上述冻土中的各相成分相互作用，影响和决定了冻土的各种性质。 根据总含水率、土的类别，多年冻土可分为少冰、多冰、富冰、饱冰冻土 和含土冰层，青藏铁路高原多年冻土区工程设计及施工暂行规定中，对多年冻 土分类如表2 - 1 所示。 表2 - 1 多年冻土分类 富 粉黏粒含鼙1 5 的粗颗粒土 1 5 w a 1 5 能j 粗颗粒土1 5 w a 2 5 冻细砂、粉砂1 8 一 w a 2 8饱和 土 粉土2 1 一 w a 3 2 塾焦圭塑! 墨! 尘三! 壁! !鏊望 饱 粉黏粒含量1 5 的粗颗粒土 ”一 w a 4 4 f 出水娄：j j 尝袅2 。1 攀黼蓍驴黜土黧“ 4 4 3 2 。 w 4 4 4 。出篇 冻细砂、粉砂 2 8 w 。：= j ：4 ：、 土 粉土一。7 毡焦主! 壁! ! 茎! 尘三竺兰!煎望 妻老 酬地砂地粉土w 洲 ( 出水嚣r , 擞2 。)h p 口o ”， 2 1 2 土的冻结过程与特征 土的冻结是以土中孔隙水结晶为表征的。当大气温度降至0 * c 或0 * c 以下时， 在气热交换过程中，使土体温度达到土中水结晶点时，从地表土产生冰晶体， 1 0 第二章冻土的基本理论 逐渐将土的矿物颗粒问的水分联结起来，并有部分变为冰晶胶结。这是一个在 外界温度影响作用下，土、水、气各相界面上的复杂物理、化学、力学过程， 即土的冻结过程。 土的起始冻结温度和土中温度分布。标准大气压下自由水的冻结温度是0 ，但处于矿物颗粒表面力场中的孔隙水，特别是当其呈薄层状态时，冻结温 度更低，所谓冻结温度是指孔隙水稳定冻结的温度。 土中i l 隙水丌始结晶前的土温下降过程和土的冻结过程见图2 1 所示。 - + 口 f， o 心、刈 吒 图2 1土冻结降温过程 图2 一l 中，段表示土体的冷却和过冷段，此阶段仅土温下降而不析冰； 段土温从最低的过冷温度以急剧增高，这是因土中孔隙水开始冻结，析出相当 数量的潜热( 析冰) 所致；段土温升至以时达到一个稳定温度值，温度曲线近似 直线，土稳定冻结；段是己冻土冷却降温段。各类土在冻结过程中都有相似 的曲线。 2 2 冻土的工程特性 2 2 1 土的冻结和融化深度与标准冻深 冻结与融化深度是季节冻土和多年冻土地区的重要特征值。在季节冻土区， 一般将年复一年的冬季冻结、夏季融化的土层称为季节冻土层：其土层的厚度 叫冻结深度；一年中的最大值称为最大冻深。在多年冻土地区，冬季冻结、夏 季融化的土层叫季节融化层；季节融化层的厚度叫季节融化深度。 第二章冻十的基本理论 我国冻土地带地域辽阔，各地冻结时首先受到当地气候( 气温、风、雨雪、 日照等) 条件影响，同时受地理纬度、海拔高度、地形、地貌、水文地质( 土质、 地下水形态) 、地面覆盖物( 森林、植被、积雪) 等条件的制约，其冻结或融化深 度根据上述条件而变化。就同一地点而言，也由于各因素变化的影响，其冻结 和融化深度值，每年都在一定范围内波动。 2 2 2 冻土的融沉特性 冻土地区一般春季或暖季气温回升，伴随着土温度升高，冻土开始融化。 冻土在融化过程中将产生融化下沉现象。融沉时的变形一般包括两个方面：一 是融化下沉，它是冻结土的冻胀量在土体融化时在自重作用下的沉陷变形；二 是融化是在外荷载作用下融化土体的压缩沉降。前者用a o 表示，后者用a o 表示。 经过冻结过程后，土体中发生水分迁移和聚冰，溶解时孔隙中的自由水分 增加，稠度增大，承载力一般降低，有时出现较大融沉。如有荷载作用，沉陷 更明显，造成建筑物不均匀变形、裂缝和倾斜、道路翻浆等。 冻土的融沉变形与土质和土的含水量、干密度等对其的影响有一定规律。 以下分别介绍季节冻土、多年冻土的a o 、a o 的计算方法与参考值。 ( 1 ) 季节冻土的融沉和压缩系数 大庆石油管理局设计院提出的粘性土有关计算方法为： a o = o 6 8 7 1 w , + 1 2 2 5 4 4( 2 - 1 ) = 0 2 4 w a o 0 1 6 3( 2 2 ) 口o = 0 3 4 9 a o + 0 2 6 5( 2 3 ) 式中，冻土天然含水量。 ( 2 ) 多年冻土的融沉和压缩系数 铁道部第三没计院在东北多年冻土地区试验研究中提出砂粘土的融沉特征 及计算方法为： a o = 2 6 2 2 i n w 一7 7 6 3 d o = o 0 1 4 8 5 1 n w o 0 1 7 8 式中，w 冻土的总含水量。 青藏铁路高原多年冻土区工程设计及施工暂行规定， 1 2 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 根据多年冻土的含水 第二章冻土的基本理论 率、土的类别、平均融沉系数进行融沉分级，其标准如表2 - 2 所示，其中土层的 平均融沉系数6o 可按下式计算： 瓯= 警= 晋砌溉 式中，h 。、q 冻土试样融化前的高度( m m ) 和孔隙比； ：、吃冻土试样融化后的高度( 埘哪) 和孔隙比。 ( 2 6 ) 墨! 二! 墨主鎏主壁望丝坌丝 十的拳圳 总含水率平均融沉 融沉性等级冻土 ( 包括碎石类土，砾、粗、中砂，以下同1 w a 。1 u 黼粒絮1 5 瑟妒龇 w w a 主1 2 1 4s 删z 级不融沉麓 细砂、粉砂 ”、18 1 “冻十 粉十 w 。 1 7 i = _ ? 塑土：三坠 粉黏粒含量1 5 的粗颗粒土1 0 w 。 1 5 的粗颗粒 细砂、粉砂 粉士 1 2 q - w a 1 5 - 4 w a 一1 s - s 。，- 级弱融沉纛辈 1 7 w a 1 5 的粗颗粒士 1 5 w a 2 5 细# 砂 1 8 一w a ：2 ：3 ：8 o1021 m 级融沉黧 粉十 w 3 2 “1 “ 冻十 黏性十 + 4 ” 1 5 的粗颗粒十2 5 w 。 4 4 细砂、粉砂 粉十 黏性_ 十 3 2 w a “1 0 8 o 一 1 0 n1刁蔷巍1 粉黏粒质鼙 o 的细砂 一 1 ”水胍 粉砂1 2 1 0 粉十 w 一 1 5 黏性十w w p + 2 2 0 粉黏粒含量 1 5 的粗颗粒土， w 1 21 0 粉黏粒质量 1 0 的细砂1 2 1 0 粉砂 粉十 黏性十 w 1 4 1 4 w 1 9 w 1 9 1 9 1 5 2 0 2 0 - 1 5 的粗颗粒十 粉黏粒质量 1 0 的细砂 粉砂 粉十 1 2 1 8 1 4 w