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原文传递干湿交替作用下泥质灰岩岩溶隧道突涌水机理研究

论文题名：	干湿交替作用下泥质灰岩岩溶隧道突涌水机理研究
关键词：	岩溶隧道;突涌水机理;泥质灰岩;干湿交替作用
摘要：	在地质条件复杂的岩溶地区修建隧道工程，经常遇到隧道突涌水等工程灾害，受季节性降雨的影响，深埋泥质灰岩岩溶隧道围岩处于干湿交替环境中。干湿交替作用使隧道围岩中细小矿物颗粒胶结程度变弱后溶于水中，在压力水体的作用下被带出围岩体，使岩体中孔隙度变大，岩体劣化明显。随着劣化效应的累积，深埋隧道在干湿交替作用下有发生突涌水的危险。因此，研究干湿交替作用下隧道围岩的劣化特征及隧道突涌水致灾机理，对揭示地下工程突涌水机理及防治和控制具有重要意义。　　本文结合国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036003)和国家自然科学基金重点项目（51734009），以位于宁夏回族自治区境内六盘山干湿交替作用下泥质灰岩岩溶隧道为工程背景，综合采用物理模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，对干湿交替作用下岩体强度劣化特性和不同水压力、不同隔水岩层厚度、不同地应力水平下隧道围岩失稳破坏和突涌水形成开展了一系列的研究，取得的主要研究成果与结论如下。　　（1）首先通过对六盘山隧道泥质灰岩进行不同干湿交替次数循环处理(N=0、3、6、8、10、12)，研究饱水和不同干湿交替次数作用后岩石试样物理性质(质量、密度、纵波波速、孔隙结构)变化特征和力学参数(峰值强度、弹性模量、峰值应变、声发射特征、破坏形态)劣化机制，研究发现：与自然状态及饱水后比较，随着干湿交替次数的增加，岩石试样渗透系数逐渐增大，孔径由微孔隙向较大级别孔径孔隙转化，试样强度参数发生明显劣化。　　（2）以六盘山隧道地质条件为背景，采用自主研制的岩溶隧道突水灾害试验系统，研制了相应的流固耦合试验相似材料，依据不同位置条件和不同隔水岩层厚度进行了6台大型物理模型试验，并在试验结果的基础上，分析了干湿交替作用对隧道围岩变形的叠加效应。结果显示，随着水压力的增加，干湿交替作用引起隔水岩层强度劣化导致的跨中挠度量占跨中总挠度的比值呈幂指数函数增大，且水压力较大时，此比值增幅明显。说明隔水岩层破坏不仅仅来自于随干湿交替次数增加的水压力，因干湿交替作用引起的隔水岩层强度劣化作用同样不可忽视。　　（3）室内物理模型试验揭示了干湿交替作用下不同隔水岩层厚度的隧道围岩突涌水灾害演化特征，分析了此过程中隧道围岩内渗流场、位移场、应力场演化特征及围岩失稳破坏模式。试验表明，隧道隔水岩层厚度不同时，隔水岩层分别表现为“中部折断状”破坏模式和“整体挤出式”破坏模式；随着干湿交替次数的增加，隧道围岩顶底板及两边墙收敛量均随之变大，变化过程均呈现出先缓波动后迅速增加的趋势；结合试验结果，揭示了隔水岩层最小安全厚度在“等幅型干湿交替”和“递增型干湿交替”作用下的变化规律。　　（4）在上述研究成果的基础上，通过分析水对岩体力学性能劣化作用，以UDEC通用离散元程序为基本构架，提出了同时考虑水渗透及干湿交替作用下岩体软化的耦合计算方法，考察不同地应力水平隧道围岩渗流场、主应力分布、围岩位移变化规律，揭示了干湿交替作用下岩溶隧道的围岩稳定性机制。
作者：	朱文心
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	靖洪文
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国矿业大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文