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原文传递千枚岩隧道围岩力学特性研究及工程应用

论文题名：	千枚岩隧道围岩力学特性研究及工程应用
关键词：	铁路隧道;千枚岩;力学特性;变形机理
摘要：	近年来，我国许多关系国计民生的重大岩土工程向规模大，埋深更大方向发展，由此带来的高地应力和软弱围岩等复杂地质问题导致工程在施工甚至运营期间地质灾害频发，灾害程度十分严重，给隧道工程修建技术和长期稳定提出了严峻的挑战。本文以在建成（成都）兰（兰州）铁路千枚岩隧道不同岩性千枚岩为研究对象，利用室内试验、现场测试和综合分析等方法，对千枚岩基本物理力学特性及工程应用进行系统研究，并对大变形段落围岩矿物成分、岩石损伤断裂特征与宏观变形量、应力场的相关性等，从千枚岩物质结构、损伤断裂演化过程等视角对围岩大变形破坏机理进行深入研究。主要有如下研究成果: 　　(1)成兰铁路茂县段隧道群围岩附近的最大水平主应力优势方向均在N20°～75°W之间，即NW向，与区域构造应力方向一致。工程区的水平构造应力场特征明显，第一侧压系数0.9～2.5之间，最大值在杨家坪隧道;第二侧压系数为0.7～1.4之间。其中，除跃龙门隧道外，其他三座隧道应力特征以构造应力场为主。水平构造应力值变化范围较大，一般随深度增加而增大，隧道的水平构造应力均较大，洞身附近基本为12～16MPa，最大的为杨家坪隧道，达21.86MPa。　　(2)成兰铁路千枚岩的主要矿物成分为:绢云母、石英、绿泥石、长石及铁的氧化物。千枚岩主要矿物含量随线路走向呈不同的变化趋势，黏土质中不含巨膨胀性蒙脱石，物化膨胀不是成兰铁路高应力千枚岩隧道围岩大变形的主要原因。千枚岩遇水软化严重，并在失水后再浸水则表现出激烈崩解、软化现象。这是隧道开挖后千枚岩围岩变形破坏的重要原因之一。　　(3)成兰铁路千枚岩在轴向应力达到峰值强度50％以前就普遍出现很大的变形和局部破坏，部分千枚岩在干燥、低围压状态下表现出严重的早期扩容现象;拐伤扩容是千枚岩变形破坏的典型特征，对变形产生不同的影响;加载方位角和岩石矿物成分等严重影响千枚岩单轴压缩变形特性，随着加载方位角增大，千枚岩轴向变形增加，横向变形则减小，试样破坏时，横向变形值已远大于纵向变形，破坏模式由脆性逐渐向延塑性过渡。　　(4)千枚岩各向异性随含水率与围压水平表现出不同的变化规律，强度各向异性随含水率和围压水平提高而降低，弹性模量和泊松比则与加载方向和转化围压有关。三轴卸荷试验中，千枚岩强度峰值时横向应变接近或略小于纵向，说明卸荷更利于横向变形发展，卸荷试样的破坏是沿卸荷方向的强烈扩容所致。与三轴压缩试验相比，卸荷试验更容易变形破坏，宏观破坏多为单一且张裂明显的纵向张拉或剪切破坏面，破坏程度更为强烈;千枚岩卸荷峰值强度表现出不同程度的各向异性特征，相同卸荷条件下，强度随方位角增大一般呈“U”形变化，45°方位角时最低。千枚岩劈裂拉伸强度普遍偏低，也具有方向上的一致性。在工程扰动和地下水等的影响下，千枚岩抗拉强度下降迅速。　　(5)通过掌子面围岩矿物成分与围岩变形量的统计分析，成兰铁路绿泥石千枚岩中伊利石含量超过约40％时，含量变化对围岩变形影响作用突然增大;绢云母千枚岩也具有类似规律。　　(6)不同应力路径和加载方向下千枚岩试样断裂断口发现，千枚岩微观破坏机制实质分为两大类:张拉和剪切破坏。受加载应力路径、层理结构发育程度和矿物成分等影响，逐步向张拉离层和完全剪切破坏模式发展。　　(7)通过室内力学试验以及现场验证，建立千枚岩微观破裂演化规律与围岩宏观变形破坏形式之间的联系，为进一步研究隧道围岩大变形破坏机理提供思路。
作者：	吴永胜
专业：	地下工程
导师：	谭忠盛
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文