硬石膏岩吸水—膨胀演化及其对隧道施工期可靠性影响研究

发布时间：2020-08-18 09:26

【摘要】：硬石膏岩分布广泛,是隧道工程中常遇到的一类特殊岩体,遇水后膨胀状态和含水状态随时间持续变化,可导致围岩持续变形或支护结构受力持续增大。硬石膏围岩的膨胀性具有不稳定和分布不均等特点,这显著增加了隧道设计和施工中的不确定性,提高了设计和施工的难度,影响隧道的可靠性。本文以礼让隧道为工程背景,研究了隧址处硬石膏岩的物理性质和力学特性;分别探究了持续供水、非持续供水以及压力水作用下,硬石膏原岩样的吸水-膨胀演化规律;基于此规律,系统地研究了考虑吸水-膨胀演化特性的围岩-支护演化模型,并进一步考虑地下水的渗流运动,研究了考虑围岩渗流场的吸水-膨胀演化模型;综合上述研究,结合收敛-约束理论,探究了吸水-膨胀演化对隧道施工期可靠性影响。论文主要结论如下:(1)隧址处三叠系下统嘉陵江组地层中主要含有1级石膏岩和1级硬石膏岩;获得了两类岩石天然含水率、干密度和渗透系数的统计特征;获得了硬石膏岩弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、残余粘聚力和残余内摩擦角的统计特征。(2)持续供水条件下,硬石膏岩持续膨胀,轴向膨胀应变及侧向膨胀应力的增量随时间先增大再减小,吸水率、结晶水率和水化率逐渐增大,而自由水率逐渐减小;非持续供水条件下,随初始湿度的增加,硬石膏岩膨胀持续的时间增长,最大轴向膨胀应变和最大侧向膨胀应力增大,膨胀终止时的吸水率和结晶水率增大,而自由水率趋于零。(3)研制了能考虑水压的膨胀试验仪,进行硬石膏膨胀试验,结果表明:水压能增强膨胀性,促进膨胀的激活,通过增大结晶水率而使吸水率增大。(4)基于膨胀试验结果,建立了吸水演化方程;将浸水时间和水压作为影响因子,以吸水演化方程为桥梁,利用湿度应力场理论将其引入到膨胀本构方程中,建立了吸水-膨胀演化本构模型。(5)基于吸水-膨胀演化规律,针对简化的圆形轴对称隧道,建立了围岩弹-膨胀演化、弹-塑-膨演化和弹-脆-膨演化模型,并给出了相应的求解方法。考虑初期支护结构与围岩的相互作用关系,结合支护结构特征方程,建立了三种围岩-支护演化模型。(6)基于吸水-膨胀演化规律,结合渗流理论,建立了考虑渗流场的硬石膏吸水-膨胀演化模型。基于该模型与热分析模型在数学表达式上的一致性,借助ANSYS热分析模块,建立了通用计算流程。(7)基于收敛-约束原理,分别采用三种围岩-支护演化模型及考虑渗流场的吸水-膨胀演化模型,构建了功能函数。依托ANSYS的PDS模块,建立了通用可靠度计算流程,用于分析渗流场中硬石膏岩隧道施工期的可靠性。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455
【图文】：

1 绪 论1 绪 论1.1 研究背景及意义我国是一个多山的国家，在中西部地区，随着铁路、公路建设发展，隧道作为缩短行车时间及里程、改善交通路线的一种有效手段在交通建设中发挥着越来越大的作用。近十几年来，我国地下工程及隧道建设事业发展较快，隧道长度、数量逐年增长。图 1.1 是我国铁路和公路隧道近些年来的增长曲线[1]。隧道的发展有利于充分利用国土资源，具有节能和环保优势，特别是在改善我国油气能源储备及水资源条件方面，发挥重大作用。随着我国铁路、公路进一步向西部地区延伸，我国隧道的总长度与数量会不断提升，隧道设计和施工中遇到新的工程问题也会越来越多。

重庆大学博士学位论文瑞士的 Chienberg 隧道，其底板在含硬石膏粘土岩的膨胀作用下发生严重。在西班牙从马德里到巴塞罗那的高速公路上，有三条隧道修建于第三纪的粘土岩层中，这三条隧道都因遭受膨胀问题而被学者们广泛关注。L受膨胀破坏最严重的一条。在 2002 年的夏末首次观测到底板的隆起，仅后，当隧道全部开挖完毕时，隆起量已导致底板严重的破坏[6]。在国内，20的十字垭隧道，穿越硬石膏岩层部分在 2004 年发生了路面开裂、边沟变 8]；成昆铁路南段从石膏箐到岳家村长约 40 公里内，有 19 座隧道的底板程度的破坏[9]，且这些都是因为仰拱不足以抵抗硬石膏岩的膨胀性。刚刚的重庆梁忠高速公路礼让隧道，穿越长达 600 米的石膏质岩层，其施工面临着硬石膏膨胀性的困扰。含有硬石膏岩的隧道开挖后，通常都能观的膨胀现象。相比于其它膨胀岩，硬石膏岩隧道膨胀问题具有两个特征间长和没有明显稳定的膨胀压力[10]，这显著增加了隧道支护设计的难度

技术路线图

【参考文献】

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本文编号：2796041