隧道突泥灾害致灾介质失稳破坏机理研究

发布时间：2020-10-26 08:39

　　 突泥灾害是威胁隧道等地下工程施工安全的一种多发性地质灾害,具有破坏性强、危害性大的特点。大型突泥灾害(突泥量10000m3),极易造成设备掩埋与损毁、人员伤亡等严重事故,甚至会诱发地表塌陷等次生灾害。突泥灾变机理研究是预防和治理突泥灾害的基础。以往对突泥灾害的研究,较侧重于地质构造、地下水、施工扰动等外因对灾害发生的诱导作用,忽视了致灾介质自身力学性能对突泥灾害发生与否的影响。本文以突泥灾害致灾介质为研究对象,以粘聚力作为评价其状态主要力学指标,对致灾介质粘聚力随孔隙比的变化规律及其失稳临界粘聚力值,进行了理论与试验研究。(1)以69个突泥案例为基础,从致灾构造类型、突泥量、突泥次数、介质成分等方面研究了突泥灾害特征。揭示了突泥量、突泥次数与致灾构造类型的关系。分析了致灾介质固体成分,确定了致灾介质的级配土属性。(2)以致灾介质力学性能为内因,以影响致灾介质失稳破坏过程的其它因素(地应力、地下水压力、施工扰动等)为外因,以断层类突泥为例,建立了突泥灾变模型。在此基础上,分析了致灾介质失稳破坏过程,揭示了孔隙比增大导致的粘聚力减小是致灾介质失稳破坏的主要原因。(3)以粘聚力作为评价致灾介质状态的主要力学指标,将土粒简化为边长不等的正方体,将土粒排列形式简化为等间距、有序排列,建立了均匀致灾介质结构模型,获得了土粒间距、有效面积率与孔隙比的关系,推导了致灾介质粘聚力变化函数,揭示了粘聚力随孔隙比的变化规律,并通过直剪试验验证了函数的正确性。(4)设计并开展了致灾介质失稳试验,不考虑外因影响,研究了饱和致灾介质失稳临界粘聚力。综合考虑致灾介质强度及其衰减特征,提出了评价致灾介质失稳风险的无量纲指标——“可突性指标K”,并根据“可突性指标K”对致灾介质失稳风险等级进行了划分。。(5)针对地下水渗流对致灾介质失稳破坏的影响,以水力梯度表征渗流作用,分析了渗流对土粒失稳的影响,获得了失稳临界粘聚力与水力梯度的正相关关系,并分别通过失稳试验与数值模拟进行了验证。在此基础上,考虑渗流对致灾介质失稳破坏的影响,对致灾介质失稳风险分级方法进行了修正。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U457.5
【部分图文】：

要表现为：突出物含泥沙量、流动性、工程危害特征等３个方面，其中突出物含??泥沙量是最本质的区别，也是造成流动性及工程危害特征不同的主要原因。相比??突水，突泥灾害的突出物泥沙含量高、粘度大、流动性差（见图１－２），井且大型??２??

考虑了充填介质整体失稳带来的影响，以地下水压力作为主要荷载，采用条分法??分析了充填致灾构造内介质的整体稳定性；若把充填介质作为突泥灾害的致灾介??质（见图１－３），这一方法也可以作为分析突泥灾害发生机理重要借鉴。若能将渗??透失稳与条分法有效结合，从介质在地下水渗流作用下的渗透失稳性质与整体稳??定性两个角度开展突泥机理研宂，很可能会取得更好的效果。??（３）模型试验研究现状??模型试验是研宂突泥灾变机理最直观、最有效的方法。但是，模型试验法对??５??

中心研发的“大型三维隧道突水突泥模型试验系统”［３７］，配备了先进的地应力与水??压力加载系统。该系统以江西省吉莲高速永莲隧道为原型，几何缩小比例为１：２０，??夕卜观尺寸达到８ｍｘ４．５ｍｘ４．５ｍ?（见图１－４）。同时，为真实模拟永莲隧道突水突泥??过程，研发了相应的地层相似材料ｔ３５］。以试验数据为依据，研宄了突泥灾害发生??前后地层渗流场、应力场、位移场等物理场信息演化规律。但是，令人遗憾的是，??６??
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本文编号：2856772