关键词:
裂隙岩体
太阳照射
温度
裂隙尖端
热应力
形状函数法
紫外线
暴晒实验
摘要:
随着我国经济高速发展,隧道工程建设规模不断扩大,南方地区高温天气持续时间长,太阳照射强烈,暴露在太阳直射下的隧道洞口段岩体温度波动剧烈,易产生病害,直接和间接影响隧道及外围结构工程安全和正常使用。尽管工程中已采取多种热病害防护措施,但由于缺乏相关理论研究工作支撑,防护设计及关键参数确定存在诸多不足,尤其近年来全球气候变暖,高温天气日益频繁,隧道洞口段岩体热病害问题愈加突出,因此太阳照射下岩体热效应研究具有明确的理论创新和广泛的工程应用前景。本文以广深港高铁深圳龙华段隧道洞口裂隙岩体热病害为背景,主要研究了太阳照射下岩体裂隙尖端局部热源及热力学规律,分析裂隙岩体温度场、热应力场分布形式和影响因素,并研究不同照射条件下岩体热响应。主要研究内容和取得成果如下:(1)针对太阳照射下岩体裂隙尖端热传导非线性特性,应用格林函数法和镜像原理建立裂隙热源函数表达式,研究裂隙尖端局部热源及热力学规律,掌握岩体中热量传递机制和温度场变化特性,并分析裂隙形状和分布形式、环境因素及岩体热力学性质参数对裂隙岩体温度场的影响。结合已有广深港高铁隧道洞口裂隙岩体温度监测工作,研究发现裂隙改变了岩体内部热传导规律,使岩体温度场重新分布,裂隙周围温度明显升高,裂隙尖端附近温度场呈现非线性特征。(2)基于裂隙热源线性函数,分析裂隙形状和分布形式、环境因素及岩体热力学性质参数对岩体热应力场的影响,并利用正交试验探讨各因素的影响程度,开展岩体热应力场分布规律及时变特性研究。研究表明,裂隙使岩体热应力场重新分布,裂隙尖端应力增大,热应力场呈现不均匀性,太阳辐射强度和岩体热膨胀系数是影响裸露岩体热应力的主要内、外部因素。(3)考虑裂隙多样性与复杂性,较大部分岩体裂隙尖端具有较强物理与几何效应,表现为裂隙尖端具有很强吸收能量能力,产生另一类热应力或应力集中问题,论文首次提出岩体裂隙尖端热源及热应力的抛物线形函数表达法,并计算太阳照射下裂隙岩体温度场和热应力场分布,提出不同裂隙热源函数对不同热力学性质岩体热效应分析的适用性。研究表明,与线性热源函数相比,基于抛物线形热源函数得到岩体裂隙尖端温度、热应力取值较大,使用抛物线形热源函数分析太阳照射下裂隙岩体热稳定性结果偏于安全。软弱岩体以及导热性好、热变形小的岩体,使用抛物线形热源函数更为合理,坚硬岩体使用线性热源函数更为合理,裂隙热源抛物线形函数是太阳照射下裂隙岩体热效应分析的典型函数。(4)以岩体(石灰岩、混凝土)试件为对象研制室外暴晒和室内降温试验方案,利用扫描电镜观察暴晒前后岩体微裂隙变化,监测太阳照射下岩体温度时变特性。在上述工作基础上,进一步运用紫外波段通过滤光片观测试件在紫外线照射下温度变化,并利用前述理论与计算公式,借助有限元数值模拟技术分析了4种岩体(石灰岩、混凝土、花岗岩和砂岩)在自然光和紫外线照射条件下的温度场和热应力场。通过测温试验数据初步获得了紫外线照射下石灰岩、混凝土温度变化规律,发现裸露岩体温度与紫外线辐射强度有很好的相关性,通过回归分析得到考虑紫外线影响的岩体(石灰岩、混凝土)温度公式,提出紫外线辐射强度是表征岩体劣化的重要指标。