冻结状态下软岩隧道冻胀力分析
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结层 弹性 模量 变化 的规律 ．
（ ）隧道 围岩及衬 砌属 于弹性 范 围 中的平 面 ２
应 变问题 ； （ ）冻结层 处 于封 闭饱 和状 态 ； ３
２ 冻结状 态下的冻胀力分析
隧道冻胀 力 主要 是 由于衬砌 周 围的一 定厚 度 的岩体 中 的水 结 冰体 积膨 胀 造 成 的． 结 层 的体 冻 积膨胀 实 际上 是 向 内外 壁 同 时膨 胀 的 ， 内壁 产 在 生 作用 于衬砌 的冻胀 力 ，在外 壁 产生 作 用 于 围 ，
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第２ ４卷 第 ４期
哈尔 滨师 范大 学 自然科学学报
ＮＡ ＲＡＬ Ｓ Ｉ ＮＣＥ Ｏ ＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢ Ｎ ＮＯＲ ＴＵ ＣＥ ＳＪ ＵＲ Ｉ ＭＡＬ ＵＮＩ ＶＥＲ Ｉ ＳＴＹ
冻结状 态 下软 岩 隧道 冻胀 力分 析 木
吕书 清
（ 哈尔滨商业大学）
【 要 】 在 寒 区岩 土 工程 中 ， 摘 岩体 中合 有 一 定量 的水 ， 结后 ， 冰相 变体 积膨 冻 水
胀 ， 生 巨大的冻胀 力 ， 产 岩体 成为 水 、 岩 、 冰、 气的 多相 损伤介 质． 这种 不均 匀的冻胀 力 对岩体 工程稳 定性 产生重要 影 响． 用弹 性理论 分 析 了软 岩 冻结后 的冻胀 力大 小． 运 关 键词 ： 冻胀 力 ； 冻融条件 ； 软岩
收稿 日期 ：０ ７一ｌ ２０ Ｏ一１ Ｏ ｝黑龙江省 自然科学基 金资助项 目（ ２０ ２ ） Ｅ ０７— ２
， 、
由弹性理论 易得衬 砌位 移为 ：
（ ＋ ）１ ）ｆｒ （ ＋ ） １ （ 一 ｏ￣ １ ＇
，、 １
ｕ ） — ｔ一 ｒ
一 而
ｒ
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于未冻结之前整个 隧道的受力体系是平衡的， 所 以在进行 弹性分 析时所 涉及 到的冻 胀力 和位 移均
为 由于 冻胀产生 的．
为 了使 问题 简化 ， 我们将 隧道衬 砌 ， 结层 和 冻 未冻 岩体看 成是 由三个 轴对 称弹性 体相互完 全 接 触组 成 的受力 体 系 ， 隧道 看 成 是处 于无 限 大 山 把
目前对于寒 区隧道工程 中衬砌 所承受 压力 的 计 算大 多近 似认 为 岩体 冻 结 后 弹性 模量 不变 化 ， 从 体积 与位移 的 变 化来 考 虑 围岩 对 衬砌 的压 力 ， 显然这 样 会 带 来 相 当 大 的 误 差 … ． 实上 ， 度 事 温
体 中的 圆形 孔 ， ， ，２ ｒ ｒ ／ 分别 为衬 砌 内 径 ， 结层 ０ ＇ 冻 内径 （ 即衬砌 外 径 ） 冻结 层 外 径 ， 作 如 下 基 亦 ， 并
岩 的冻 胀力 ， 要说 明 的是 ， 需 由于我们 多数 情况下
１ 冻胀 力分 析
在隧道工程中， 无论是修 建于永久寒 区还是 修建于 季节寒 区 ， 融 循环 的影 响范 围 均是 在 隧 冻
道壁 的一定 厚度 范 围 内 ， 厚 度 范 围 内的 岩 体称 此
为冻 结层 。
主要关心作用于衬砌 的冻胀力 ， 所以通常把作用 于 围岩的 冻胀 力也 称 为围岩压 力 ， 处 的 围岩 此 压力 和传统 意义 上 的 围岩 压 力是 截 然 不 同 的． 由
ｔｒ ｔ ｓａ ｄ ａ ｐ ｉａ ｏ ｆ Ｃ ｅ ｉ ｉ ｎ ｐ ｌ ｔ ｎ ｏ Ａ，ｉ ｇ ｏ ｒ ｓ ｉｎ ａｇ ｒ ｈ ｂ ｓ ｄ ｏ Ｃ ａ ｅ ｎ ｐ ｏ ｓ ｄ ｉ ｉ ｐ ｐ ｒ ｓｃ ｃｉ Ｐ ｍａ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｓｏ ｌ ｏ ｔ ｍ ａ ｅ ｎ Ｐ Ａ ｈ ｓｂ ｅ ｒ ｐ ｅ ｎ ｔ ｓ ａ ｅ ． ｉ ｏ ｈ Ｆ ａｕ ｅ ｅ ｔ ｃ ｏ ｄ ｄ ｔ ｏ ｒ ｓｉｎ ａ ｅ ｃｏ ｅｙ ｒ ｌｔｄ ｐ ｏ ｌｍｓｔ ａ ａ ｅ ａｔｃ ｅ ｓ ｇ Ｐ Ａ．Ｔ ｅｆ ・ ｅ ｔ ｒ ｘｒ ｔ ｎ ａ ａ ｃ ｍｐ ｅ ｓｏ ｒ ｌ ｓ ｌ ｅ ａｅ ｒ ｂ ｅ ｔ ｎ ｂ ｔ ｋ ｄ ｕ ｉ Ｃ ａｉ ｎ ａ ｈ ｃ ａ ｎ ｈ ａ ｍｏ ｓ‘ ｅ ａ ｉ ｇ ｈ ｃ ａ ｅ ｎ ｕ ｅ ｏ ｖ ｌ ａｉｎ ｏ ｉ Ｐ Ａ ａｇ ｒ ｈ ｕ ‘ ｎ ” ｍａ ｅ ｗ ｉｈ ｈ ｓ ｅ ｓ ｄ ｆｒｅ ａｕ ｔ ｆ ｓ Ｃ ｌｏ ｔ ｍ．Ａｎ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｌ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ Ｌ ｂ ｏ ｈ ｔ ｉ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎａ ｓ ｌ ｈ ｗ ｉ ｒ ｓ ｈ ｔｔ ｓ ｌ ｏｉ ｔ ａ ｉ ａｇ ｒ ｍ ａ ｏ ｄ ｐ ｒ ｒ ｎ ｃ ｄ ｈ ｇ ｕ ｌ ｙ ｏ ｇ ｅ ｏ ｓ ｕ ｔ ｎ ｈ ｈ ｔ ｈ ｓ ｇ ｏ ｅ ｏ ｍａ ｅ ａ ｉｈ ｑ ａｉ ｆｉ ｅ ｒ ｃ ｎ ｔ ｃ ｉ ． ｆ ｎ ｔ ｍａ ｒ ｏ
本 假设 ： （ ）围岩 为均质 的各 向同性连 续介 质 ； １
效用如冻结及冻融循环条件对岩体 ， 尤其是软岩 体 的力 学 性 能 的 影 响 是 一 个 不 容 忽 视 的 重 要 因
素． 由于软 岩本 身 就是 一种 损 伤 材料 ， 隙 率高 ， 孔 含水 量大 ， 冻结后 引起水 分 向正冻带运 动 ， 成为含 水 ， ， ， 的多 相介质 ， 岩 中冰体 的形 成和发 冰 岩 气 软 育， 产生 巨大 的冻 胀 力． 融化过 程 中这种冻 胀变形 不 能完全 恢 复 ， 经过若 干次 冻融循 环后 ， 剧 了软 加 岩 体 内 的缩胀 、 裂 等一 系 列物 理 ， 学 的变 化． 开 力 因此 ， 步探讨 衬 砌及 围岩所 受 的压力 及 其 随 冻 初
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７ ２
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２０ ０ ８拒
ＡＰＰＬＩ ＣＡＴＩ ｏＮ ｏＦ ＰＲＩ ＣＩ Ｎ ＰＬＥ ＣｏＭ ＰｏＮＥＮＴ
ＡＮＡＬＹＳ Ｓ Ｔ０ Ｍ ＡＧＥ Ｉ Ｉ ＣｏＭ ＰＲＥＳ Ｉ Ｓ ＯＮ
Ｌｉ ｏ Ｙａ ｅ ｇ ｏ ｕ Ｔａ ｎｇ Ｆ ｎ ｂａ
（ ｏｔ ｎｖｒｔ ｈｎ ） Ｎ ｒ Ｕ ｉ ｓｙｏ Ｃ ｉ ｈ ｅｉ ｆ ａ
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ
Ｔ ｉ ｐｐ ｒ ｘ ｌｉ ｅｓｉｔ ｅｎｔ ｎｏ Ｃ Ｐ ｎ ｉｌ Ｃ ｍｐｎ ｎ ｎ ｌ ｉ）ｍ ｔｅ ａ ｃｌ ， ｈ ｒｃ ｈｓ ａｅ ｐａ ｓ ｈ ｒ ｆ ｉｏ ｃｄｉ ｉ Ｐ ｉ ｅ Ａ ｙ ｓ ａ ｍ ｔ ａｌ ｃａａ— ｈ ｉ ｙ
（ ）隧道 围岩及衬 砌属 于弹性 范 围 中的平 面 ２
应 变问题 ； （ ）冻结层 处 于封 闭饱 和状 态 ； ３
２ 冻结状 态下的冻胀力分析
隧道冻胀 力 主要 是 由于衬砌 周 围的一 定厚 度 的岩体 中 的水 结 冰体 积膨 胀 造 成 的． 结 层 的体 冻 积膨胀 实 际上 是 向 内外 壁 同 时膨 胀 的 ， 内壁 产 在 生 作用 于衬砌 的冻胀 力 ，在外 壁 产生 作 用 于 围 ，
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冻结状 态 下软 岩 隧道 冻胀 力分 析 木
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【 要 】 在 寒 区岩 土 工程 中 ， 摘 岩体 中合 有 一 定量 的水 ， 结后 ， 冰相 变体 积膨 冻 水
胀 ， 生 巨大的冻胀 力 ， 产 岩体 成为 水 、 岩 、 冰、 气的 多相 损伤介 质． 这种 不均 匀的冻胀 力 对岩体 工程稳 定性 产生重要 影 响． 用弹 性理论 分 析 了软 岩 冻结后 的冻胀 力大 小． 运 关 键词 ： 冻胀 力 ； 冻融条件 ； 软岩
收稿 日期 ：０ ７一ｌ ２０ Ｏ一１ Ｏ ｝黑龙江省 自然科学基 金资助项 目（ ２０ ２ ） Ｅ ０７— ２
， 、
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目前对于寒 区隧道工程 中衬砌 所承受 压力 的 计 算大 多近 似认 为 岩体 冻 结 后 弹性 模量 不变 化 ， 从 体积 与位移 的 变 化来 考 虑 围岩 对 衬砌 的压 力 ， 显然这 样 会 带 来 相 当 大 的 误 差 … ． 实上 ， 度 事 温
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在隧道工程中， 无论是修 建于永久寒 区还是 修建于 季节寒 区 ， 融 循环 的影 响范 围 均是 在 隧 冻
道壁 的一定 厚度 范 围 内 ， 厚 度 范 围 内的 岩 体称 此
为冻 结层 。
主要关心作用于衬砌 的冻胀力 ， 所以通常把作用 于 围岩的 冻胀 力也 称 为围岩压 力 ， 处 的 围岩 此 压力 和传统 意义 上 的 围岩 压 力是 截 然 不 同 的． 由
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ＡＰＰＬＩ ＣＡＴＩ ｏＮ ｏＦ ＰＲＩ ＣＩ Ｎ ＰＬＥ ＣｏＭ ＰｏＮＥＮＴ
ＡＮＡＬＹＳ Ｓ Ｔ０ Ｍ ＡＧＥ Ｉ Ｉ ＣｏＭ ＰＲＥＳ Ｉ Ｓ ＯＮ
Ｌｉ ｏ Ｙａ ｅ ｇ ｏ ｕ Ｔａ ｎｇ Ｆ ｎ ｂａ
（ ｏｔ ｎｖｒｔ ｈｎ ） Ｎ ｒ Ｕ ｉ ｓｙｏ Ｃ ｉ ｈ ｅｉ ｆ ａ
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ
Ｔ ｉ ｐｐ ｒ ｘ ｌｉ ｅｓｉｔ ｅｎｔ ｎｏ Ｃ Ｐ ｎ ｉｌ Ｃ ｍｐｎ ｎ ｎ ｌ ｉ）ｍ ｔｅ ａ ｃｌ ， ｈ ｒｃ ｈｓ ａｅ ｐａ ｓ ｈ ｒ ｆ ｉｏ ｃｄｉ ｉ Ｐ ｉ ｅ Ａ ｙ ｓ ａ ｍ ｔ ａｌ ｃａａ— ｈ ｉ ｙ