火災(zāi)高溫下含濕黃土熱濕遷移中溫度場(chǎng)-濕度場(chǎng)-蒸汽壓力場(chǎng)分布研究.pdf

1、地鐵、公路隧道在運(yùn)營過程中，會(huì)發(fā)生火災(zāi)?；馂?zāi)高溫不僅對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性造成危害，而且還會(huì)將熱量傳導(dǎo)至襯砌外側(cè)的土體，在土體中形成溫度場(chǎng)，在熱的作用下，土體中的部分液態(tài)水出現(xiàn)熱濕遷移現(xiàn)象，使得土體中的濕度場(chǎng)重新分布；另一部分液態(tài)水吸收熱量發(fā)生氣化，以氣態(tài)形式存在于土顆粒之間的孔隙中，形成蒸汽場(chǎng)且具有一定的蒸汽壓力。在蒸汽壓力的作用下，襯砌外荷載增加，極有可能使已經(jīng)發(fā)生爆裂的混凝土襯砌發(fā)生破壞，同時(shí)蒸汽會(huì)沿著襯砌表面的裂縫進(jìn)入襯

2、砌內(nèi)部，對(duì)鋼筋等造成腐蝕，進(jìn)一步威脅隧道混凝土結(jié)構(gòu)安全。
　　本文以火災(zāi)高溫下含濕黃土熱濕遷移過程中的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、蒸汽場(chǎng)及蒸汽壓力場(chǎng)作為研究課題。應(yīng)用理論分析、試驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬的方法，對(duì)土樣導(dǎo)熱系數(shù)與含水率、干密度和自身溫度的函數(shù)關(guān)系，土樣的熱濕遷移現(xiàn)象，以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道外側(cè)土體的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、蒸汽場(chǎng)及蒸汽壓場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　（1）土樣導(dǎo)熱系數(shù)與含水率和干密度的關(guān)系。當(dāng)土

3、樣干密度不變時(shí)，其含水率越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大；當(dāng)土樣含水率不變時(shí)，其干密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越大。
　?。?）土樣導(dǎo)熱系數(shù)與自身溫度的關(guān)系。對(duì)于實(shí)驗(yàn)所配制的干密度為1.5g·cm-3、含水率為5％的土樣，其導(dǎo)熱系數(shù)隨自身溫度呈一次線性相關(guān)。
　?。?）土樣熱濕遷移現(xiàn)象的規(guī)律研究。土樣的溫度場(chǎng)分布存在“劇烈降溫區(qū)間”、“緩慢降溫區(qū)間”以及“恒溫區(qū)間”，距離熱源越近，測(cè)點(diǎn)的溫度越高，接近筒體邊緣時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫度接近于常溫；土樣的濕度場(chǎng)分布

4、存在“水分?jǐn)U散區(qū)間”、“水分集中區(qū)間”以及“未擾動(dòng)區(qū)間”，隨著與熱源距離的增大，測(cè)點(diǎn)含水率先逐漸升高并出現(xiàn)含水率峰值，隨后逐漸減小至初始含水率。
　　（4）發(fā)生火災(zāi)時(shí)隧道襯砌外側(cè)土體的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)、蒸汽場(chǎng)和蒸汽壓力場(chǎng)研究。運(yùn)用 FLUENT16.2進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，建立了隧道模型，將火災(zāi)熱釋放率設(shè)定為30MW和50MW，隧道內(nèi)部風(fēng)速等級(jí)設(shè)定為0m/s、3m/s和5m/s，得到以下結(jié)論：
　　a.火源產(chǎn)生的熱量沿隧道縱向和橫

5、向的擴(kuò)散范圍受到火災(zāi)規(guī)模和通風(fēng)速度的影響。
　　b.發(fā)生火災(zāi)后，襯砌外側(cè)土體中某一測(cè)點(diǎn)溫度越高，該點(diǎn)的水分遷移現(xiàn)象越明顯；火源熄滅后，土體中的溫度降低，原本吸收熱量發(fā)生氣化的水分釋放熱量轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，使測(cè)點(diǎn)的含水率出現(xiàn)小幅上升。在水分遷移過程中存在熱量轉(zhuǎn)移，因此土體中溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)相互耦合。
　　c.液態(tài)水吸收熱量發(fā)生氣化，在土體內(nèi)部形成連續(xù)分布的蒸汽場(chǎng)。在土體孔隙體積不變的前提下，土體溫度越高，蒸汽含量越大，且氣體分子動(dòng)力