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原文传递冻融环境下阳曲公路隧道高含水率黄土物理力学特性及应用研究

论文题名：	冻融环境下阳曲公路隧道高含水率黄土物理力学特性及应用研究
关键词：	冻融循环;高含水率;黄土隧道;围岩变形;物理力学特性;稳定性预测
摘要：	黄土在我国干旱半干旱季节性冻土区广泛分布，受湿载-冻-融作用的影响敏感，冻融作用常诱发浅埋、超浅埋高含水率黄土隧道施工过程中各类病害。以山西阳曲1号黄土隧道为研究对象，采用现场调查、室内试验、理论分析、现场监测、数值模拟等方法，对不同含水率黄土隧道围岩变形规律和稳定性进行了预测研究，具有重要的理论意义和实际工程价值。主要工作如下：　　（1）对研究区不同含水率黄土开展物理特性试验，结果表明，当含水率小于冻融损伤门槛含水率（8％）时，冻融循环对黄土工程性质影响甚微。随着含水率的增加，土中水溶解了土颗粒之间的胶结物质，使得土颗粒之间较强的联结状态逐渐变弱甚至破坏，进而使得土样颗粒级配、孔隙比等物理性质发生变化。当含水率超过冻融损伤门槛含水率值时，冻融循环作用使得土样的孔隙比、液限、塑限、干密度等物理性质改变较大，土样内部出现明显损伤，改变了土样吸收强结合水和弱结合水的能力，使得土样物理特性发生了较大的变化。　　（2）基于黄土水敏势、扰动势、构度的概念，提出冻融势及冻融构度的概念，研究了水热耦合作用对土样弹性模量、黏聚力、内摩擦角等特性的影响规律。结果表明：原状、重塑土样的强度随着含水率的增加呈现降低的趋势，冻融循环作用使得这种降低的趋势更加明显。与冻融循环对黄土物理特性影响的结果一致，当含水率保持不变时，随着冻融循环次数的增加，冻融循环对土样的损伤作用有着较大的影响。当含水率增加时，冻融作用对土强度的损伤作用加强，当含水率增至饱和时，可以认为冻融作用对土样强度的损伤作用最强。　　含水率的增加使得土样在受到压力作用时密实阶段延长，冻融循环使得土样峰值强度降低。随着含水率的增加，土样水敏势降低、扰动势降低、冻融势增加、冻融构度降低。随着冻融循环次数的增加，土样水敏势增加、扰动势降低、冻融势降低、冻融构度降低。　　（3）对含水率和冻融循环作用对黄土损伤的机理进行了研究，研究认为冻融循环和含水率变化对土样的损伤主要由温度以土中自由水为媒介，使得土中水产生冻胀融沉和水分迁移来实现。当温度降低至0℃以下并持续一段时间后，土中自由水发生体积增加约9%的原位冻结，土中电场平衡发生改变，且受到温度梯度的影响，土中自由水除发生体积膨胀冻结外，还向冻结锋面迁移。当外界温度升高到0℃以上并持续一段时间，土中水会发生与冻结时反向的迁移。体积膨胀和水分迁移均会对土颗粒的联结和排列产生影响，造成土颗粒的联结损伤或破坏，颗粒排列发生变化，物理特性发生改变，力学性能产生劣化。当多次冻融循环发生时，土颗粒会反复如此造成损伤。　　（4）运用CT技术对经历不同冻融循环次数、不同含水率的土样进行了表观损伤特性，CT数的影响规律分析。可以看出冻融循环前5次，土样的CT数变化幅度最大，冻融6~20次，CT数继续降低，但变化幅度相对减小。冻融21次后，CT数继续降低，但降低的幅度继续减小，趋于最小值。冻融30次后，CT数随冻融循环次数的增加基本上无变化，认为冻融循环30次后对CT数无影响。　　（5）提出了电阻率差的概念，用于表征冻融循环作用对同一含水率土样电阻率值的影响，其值某一含水率土样冻融循环后土样的电阻率与未冻融时电阻率的差值。经过对冻融循环次数对土样电阻率差的关系的实验研究，得出电阻率差与含水率呈幂指数关系，其不均匀系数和不均匀修正系数与冻融循环次数呈对数函数关系。　　（6）考虑含水率变化的影响，运用宏观唯象损伤力学和非平衡统计的概念和方法，以弹性模量为损伤变量，得到了冻融循环、受荷共同作用的损伤本构关系和强度破坏准则，对理论计算结果与实验结果进行了对比分析，验证了本文损伤本构模型的正确性。　　（7）运用FLAC3D有限差分软件对阳曲1号隧道ZK93+890断面在冻融环境下不同含水状态隧道围岩的应力、变形进行数值模拟，得出阳曲1号隧道围岩安全系数与含水率、冻融循环次数的拟合关系，并对模拟结果与监测结果进行了验证。完成了黄土隧道围岩因温度和含水率变化对隧道安全稳定的预测。结果表明，当黄土隧道围岩含水率小于18%，应加强监测，随时处理不利因素。当含水率达到20%时，应加强防冻措施，防止冻融作用对围岩黄土的劣化。当含水率为22%时，围岩初始安全因素均在临界点附近，经历多次冻融循环后，安全系数降至1以下，应同时采用排水与防冻措施。当含水率为35%时，围岩未经历冻融循环时安全系数在1以下，围岩处于为危险状态，需立即采取排水措施，待含水率明显下降后，再采取防冻措施施工，才能保证安全施工。为现场施工提供了重要依据。
作者：	田俊峰
专业：	岩土工程
导师：	杨更社
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安科技大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文