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膨胀土隧道开挖过程的模型试验研究及其三维数值模拟
| 论文题名： | 膨胀土隧道开挖过程的模型试验研究及其三维数值模拟 |
| 关键词： | 膨胀土隧道;数值模拟;围岩稳定性;开挖过程 |
| 摘要： | 随着国家基础设施建设的大力发展，隧道作为交通设施的一部分，起着十分重要的作用。然而我国许多地区地质条件复杂，在隧道的建设期常会遇到膨胀性岩土，这种不良地质体会使隧道结构遭到破坏。造成这一现象的主要原因是我们对膨胀土胀缩机理及其工程特性的认识不足，由于膨胀性围岩遇水后易软化并产生膨胀力，在隧道开挖过程中围岩会产生较大变形，甚至破坏，给工程带来巨大损失。因此本文以广西宜河高速公路某膨胀土隧道工程为依托，开展室内物理模型试验，对整个开挖过程中围岩关键点应力进行监测，并采用FLAC3D软件对三种开挖方法（全断面法、上下台阶法、CRD法）下的隧道施工进行三维数值模拟，对膨胀土隧道在雨季施工中围岩变形和应力变化规律进行了探究。本文主要成果和结论如下： 1）通过开展室内基本实验，对膨胀土的一般物理力学性质进行了研究，对膨胀土的抗剪强度与含水率之间的关系进行了研究，膨胀土的粘聚力和内摩擦角均随着含水率的增大而减小。 2）通过模型试验研究可知：在隧道开挖过程中，拱顶和拱底处围岩应力变化较拱腰处围岩应力变化大，且在隧道开挖至观测面时围岩应力均出现急剧下降；隧洞附近的围岩随着距离的增加，其应力释放率逐渐减小，应力释放速度也逐渐减缓，且主要表现在两倍的洞径范围内。 3）通过数值模拟研究可知：在三种开挖方法下隧道围岩变形均表现为拱顶区域出现沉降，拱底区域向上隆起，隧洞两侧向中间收敛；围岩应力变化均沿隧洞竖向呈对称分布，竖向应力集中主要表现在隧洞两侧，而拱顶和拱底区域形成水平受压区；当掌子面在观测面前后一倍洞径范围内时，隧洞附近围岩应力和变形均出现急剧变化，在此阶段围岩稳定性最差，需及时采取支护措施。综合对比三种开挖方法，发现采用全断面法施工引起拱顶和拱底处围岩变形明显较其他两种开挖方法大，不易控制围岩变形和应力增长，而采用CRD法施工对围岩的扰动影响最小，最适宜作为膨胀土隧道雨季施工的开挖方案。 4）将模型试验结果与数据模拟结果对比分析后发现，两种研究方法下围岩应力变化趋势相似，说明研究所得结论合理可靠，可作为判断类似隧道围岩稳定性的依据。 |
| 作者： | 周立新 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 杨军平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 桂林理工大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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