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原文传递强膨胀土隧道围岩大变形特性及监控预测研究

论文题名：	强膨胀土隧道围岩大变形特性及监控预测研究
关键词：	隧道围岩;膨胀土;变形控制;支护结构;预测精度
摘要：	膨胀土在隧道工程中表现为随时间的推移和含水率的增加导致围岩向隧道内塑性挤出，严重威胁隧道工程的安全与稳定。通过现场监测膨胀土隧道围岩大变形破坏特征，分析膨胀土隧道围岩大变形的一般规律;现场取膨胀土样，实验室开展膨胀土基本物理力学特性研究，测定膨胀土遇水软化性、遇水膨胀性及耐崩解性，实测膨胀土抗剪强度曲线，获得膨胀土基本力学参数;基于有限变形理论，引入膨胀参数及软化系数，构建基于Mohr-Coulomb准则的膨胀土大变形本构模型，数值计算膨胀土隧道围岩大变形与小变形计算结果的差异性，并分析大变形及小变形计算方法获得的围岩与支护系统稳定性;基于膨胀土的强膨胀特性，引入膨胀修正系数，对Hoek-Brown模型中的扰动系数进行修正，通过数值计算验证模型的适用性。采用有限差分软件建立大断面膨胀土隧道三维数值模型，采用七步开挖方法，分析隧道围岩大变形规律，研究围岩与支护结构相互作用关系，优化支护结构设计参数;提出隧道围岩大变形控制方法，通过现场监测围岩变形、围岩压力、衬砌应力等，验证优化方案的可行性。综合分析现场监测数据、室内试验数据、理论模型及数值计算结果，对隧道断面监测数据进行多步滚动预测，为类似工程提供理论基础和技术支撑。主要研究成果如下: 　　(1)膨胀土在遇水后具有明显的膨胀及软化特性，体积膨胀量随着含水率的增高而增大。通过对矿物成分的分析可知，隧道围岩膨胀土中主要含量为钠长石、石英、伊利石和蒙脱石，这些物质具有明显的遇水膨胀特性，是导致隧道围岩大变形的主要原因。　　(2)通过对有限变形理论中的弹塑性分析方法进行改进，基于Mohr-Coulomb准则的塑性势函数，提出了考虑含水率及软化特性的膨胀土大变形本构模型，通过有限差分方法在数值软件中实现程序化，建立数值模型，计算分析小变形理论与大变形理论的计算结果差异，通过分析小变形理论与大变形理论在计算隧道围岩与支护结构相互作用方面的差异性可知，大变形理论计算隧道围岩变形量要明显大于小变形理论的计算结果，说明大变形理论更加适用于膨胀土隧道围岩大变形力学特性的研究。　　(3)对Hoek-Brown模型进行修正，提出了考虑膨胀特性的Hoek-Brown修正模型，通过数值分析计算可知，修正模型计算得到的变形量明显大于常规模型的计算结果，修正模型参数可以通过室内试验方法获得，提出的修正模型具有一定的应用价值。　　(4)通过建立大断面膨胀土隧道三维数值模型，采用膨胀土大变形本构模型，数值计算了不同开挖条件下围岩大变形演化规律，通过计算可知，随着隧道的开挖，膨胀土隧道围岩产生较大范围的塑性区，隧道拱顶及两肩位置变形量大，是施工过程中重点支护位置。　　(5)通过对支护结构进行优化设计，提出优先加固中立柱的方案，确保对膨胀土隧道围岩大变形的控制，通过对围岩大变形现场监测分析可知，提出的支护设计方案能够保证大断面膨胀土隧道围岩大变形的稳定。　　(6)将进化神经元算法应用于呈贡隧道膨胀土围岩大变形预测，对隧道断面监测数据进行多步滚动预测，通过实测数据与预测结果相比较，表明该算法具有较高的预测精度，可对类似工程提供借鉴。
作者：	谢宝琎
专业：	岩土工程
导师：	张向东
授予学位：	博士
授予学位单位：	辽宁工程技术大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文