炭质千枚岩隧道围岩流变机制与让抗耦合支护结构研发及工程应用

发布时间：2017-12-14 13:04

  本文关键词：炭质千枚岩隧道围岩流变机制与让抗耦合支护结构研发及工程应用

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【摘要】：在世界经济全球化和区域经济一体化的新形势下,"一带一路"的规划与实施为我国交通建设事业带来了巨大机遇与挑战。在我国西部地质条件极其复杂的山岭地区交通基础设施如火如茶的规划与修建中,涌现出了大量穿越强震重灾区深长大跨隧道工程,施工过程中面临频发的大变形、掉块、塌方、岩爆和突水涌泥等地质灾害威胁,造成了巨大的人员伤亡和经济损失。穿越5·12汶川强震重灾区的炭质千枚岩隧道,岩体经历强震的动力揉搓损伤,强度低、层间结合差、节理裂隙发育、遇水泥化,具有显著的流变特性,给隧道修建带来了巨大的技术挑战。本文以穿越汶川强震重灾区高原铁路某深长炭质千枚岩隧道为工程依托,通过对多条典型炭质千枚岩隧道大变形现场调研的基础上,运用现场测试、室内试验、理论分析、数值模拟和现场试验等研究手段,取得了如下具有一定理论价值和工程意义的研究成果:(1)基于现场测试和室内单轴、三轴及流变试验结果,系统研究了隧址区炭质千枚岩的工程特性及物理力学性质,系统总结了强震重灾区炭质千枚岩隧道围岩大变形特性、发生机制、破坏模式和影响因素,阐明了围岩大变形环境下支护结构失稳破坏的力学机制;(2)考虑岩样初始微裂隙损伤等固有初始属性,引入了表征岩体固有初始属性的系数m、n,提出了一种可描述微裂隙材料压密变形的瞬时塑性体元件,建立了表征瞬时塑性体应力应变的指数函数关系;提出了以初始微裂隙损伤等固有属性决定的非线性粘塑性流动应力阀值作为由稳定蠕变向非线性加速蠕变过渡的判定点准则;考虑材料受荷应力水平α、非线性粘塑性流动应力触发值σs及材料固有初始属性β,优化了非线性加速蠕变指数"s,建立了表征非线性加速蠕变应力应变关系的函数表达式;(3)构建了能够完整描述岩石蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变本构模型(INEVP),模型可以较好的表征岩石瞬时弹性—瞬时塑性—黏弹性—黏塑性变形,尤其适用于描述含有初始微裂隙损伤材料的瞬时变形及非线性加速蠕变变形;运用MATLAB数值计算软件,基于最小二乘法对INEVP模型中参数进行了辨识;推导了本构方程三维中心差分形式并开发了相应计算程序,对比室内流变试验结果验证了模型的有效性和适用性;(4)建立了隧道三维计算模型,基于提出的INEVP模型,分析了炭质千枚岩隧道三台阶施工过程中,不同台阶长度、不同支护时机等工况下拱顶沉降、拱腰水平收敛和边墙水平收敛空间分布特征及变形时效特性,揭示了不同支护滞后时间影响下围岩与初支的接触压力变化规律,为最优支护时机与合理让压变形量的确定提供了理论依据;(5)借鉴高层建筑框架核心筒结构设计方法,遵循"先让后抗再刚"和"协同变形"的大变形控制思想,研发了钢格栅混凝土核心筒新型让抗耦合支护结构(SGCCT支护结构),介绍了 SGCCT支护结构的组成与特点,建立了拱架定量让压计算方程与让压时机控制准则;分析了拱架变形特征及荷载承担比的变化规律;(6)选取围岩大变形高风险段,开展了传统型钢拱架和SGCCT拱架现场应用对比试验,研究了两种不同支护结构作用下围岩收敛变形、围岩深部位移、围岩与初支接触压力、拱架内力、锚杆轴力、初支与二衬接触压力和二次衬混凝土应变的分布特征与变化规律;基于现场监测结果,计算了两种不同支护结构作用下荷载承担比例系数,为支护结构安全判定提供了分析依据;(7)研究成果在汶川强震区高原铁路某深长炭质千枚岩隧道和重庆市快速路一横线歇马隧道围岩大变形灾害的预防与治理中得到了成功应用。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：U451.2
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本文编号：1287986