[发明专利]一种隧道局部存水冻胀力计算方法、计算系统、存储介质、季冻区隧道衬砌冻胀设计方法

说明书

本发明涉及一种隧道局部存水冻胀力计算方法、计算系统、存储介质、季冻区隧道衬砌冻胀设计方法，该方法根据积冰深度、围岩弹性抗力系数、冰体弹性抗力系数、衬砌弹性抗力系数、冰的冻胀率，能够方便的计算季冻区隧道局部存水冻胀力。本发明给出的一种隧道局部存水冻胀力计算方法、计算系统、存储介质、季冻区隧道衬砌冻胀设计方法，对于隧道工程施工和设计具有重要意义。

技术领域

本发明专利涉及岩土领域，即公路或者铁路隧道设计领域(对应分类号：E02D29/045)，具体地涉及一种隧道局部存水冻胀力计算方法、计算系统、存储介质、季冻区隧道衬砌冻胀设计方法。

背景技术

现有技术中，研究局部存水冻胀力计算方法主要有以下几种方式：

文献1：王建宇,胡元芳.隧道衬砌冻胀压力问题初探[J].铁道工程学报,2004(01):88-94；在该文献中最早提出了局部存水冻胀模型，将存水空间的横断面形状简化为三角形，推导出局部存水冻胀力的计算方法；并针对严寒地区隧道施工和抗冻设计提出了建设性的建议，该计算方法较好地解释了由于施工缺陷造成的局部存水冻胀现象，为后续局部存水冻胀的研究提供了理论基础。

文献2：范磊,曾艳华,何川,等.寒区硬岩隧道冻胀力的量值及分布规律[J].中国铁道科学,2007,28(1):44-49；该文献考虑到水在低温条件下发生相变后，冰体也为弹性以文献1的方法为基础，改进了冻胀力的计算公式(冻胀力受力模式如附图3所示)，并提出“等效当量弹性系数法”，使冻胀力量值的计算过程更为清晰简便。

文献3：宋天宇.岩质隧道冻胀力计算及冻害等级划分研究[D].沈阳：东北大学,2014；认为前人推导的局部冻胀公式中忽略了围岩本身的低温膨胀作用以及积水结冰后冰体自身作为弹性体的影响，以此为基础对已有的局部积水冻胀模型进行修正。

文献1-3对于隧道冻胀力的计算做出了开创性的贡献，但是，普遍假定存水空间的平面形状为三角形，沿隧道纵向方向均匀分布，并在二维条件下对冻胀力的计算公式进行推导，虽然在已有的存水冻胀理论中考虑到了二维推导和三维实际的差距，并提出了从二维结果转化为三维结果的折减系数，但通过以上理论计算出的结果并不够准确。

为此，文献4：邓刚,王建宇,郑金龙.寒区隧道冻胀压力的约束冻胀模型[J].中国公路学报,2010,23(1):80-85；文献4从三维空间角度提出了一种与气体压力类似的约束冻胀模型，该理论考虑到在低温条件下，存水空间中的水从液态转化为固态的过程中，只有当变形受到全方位的约束时，膨胀变形后才会产生冻胀压力的作用。一旦任何一个方向没有约束，冻胀压力就会被释放，局部冻胀将不会发生。相较于二维空间下的理论模型，该理论推导过程更为严谨，但该理论中假设存水空间为正四面体形式(文献4也说明：讨论最简单的存水空间为正四面体的最简单情况)，这与实际情况存在较大偏差。

文献1-3的计算结果，由于其是基于二维平面推导的结果，其应用于工程(三维)实际时，与工程实际的结果相差较大(从力学机理上，也不合理：由于水从液态转化为固态的过程中，只有当变形受到全方位的约束时，膨胀变形后才会产生冻胀压力的作用。一旦任何一个方向没有约束，冻胀压力就会被释放，局部冻胀将不会发生；二维的基础上进行研究时，沿着隧道长度方向的约束实质上并没有进行深入的考虑。

文献4虽然从三维角度进行了推导研究，但是，将文献4计算的结果与工程实际监测数据相比，仍然相差较大。

因此，有必要研究一种更为准确的一种季冻区隧道局部存水冻胀力计算方法，以便为工程设计服务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种隧道局部存水冻胀力计算方法、计算系统、存储介质、季冻区隧道衬砌冻胀设计方法，以克服现有技术的不足。

本发明的另一目的在于提供一种隧道局部存水冻胀力计算系统。

本发明的又一目的在于提供一种存储介质。