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原文传递膨胀性软岩隧道支护结构受力特性及缓释方法

论文题名：	膨胀性软岩隧道支护结构受力特性及缓释方法
关键词：	膨胀性软岩隧道;支护结构;受力特性;缓释系数
摘要：	隧道支护结构因膨胀性软岩泥化膨胀而开裂的现象较为普遍，究其原因，是由于膨胀性软岩隧道的围岩遇水发生膨胀，膨胀力以应力集中的方式作用于支护结构。因此有必要针对隧道围岩变形失稳、支护结构侵限、开裂等工程问题开展膨胀性软岩隧道支护结构受力特性及缓释方法研究，以期为软岩地区的隧道工程建设提供理论支持。　　本文从泥岩的膨胀问题出发，研究膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性及缓释方法。使用团粒膨润土和石英砂作为缓冲层材料，通过对泥岩和重塑团粒膨润土开展恒体积下的膨胀力试验，分析泥岩和重塑团粒膨润土的膨胀特性，为物理模型试验和数值模拟围岩膨胀力和缓冲层膨胀力的来源提供支撑；开展室内隧道缩尺物理模型试验与数值模拟，对比分析膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性；基于隧道力学和弹塑性力学等理论，结合试验数据分析并推导出膨胀性软岩隧道支护结构受力的缓释系数表达式，主要结论如下：　　（1）通过对泥岩和重塑团粒膨润土开展恒体积下的膨胀力试验，得出以下结论：①泥岩恒体积下的膨胀应力时程曲线总体呈现前期快速增加，中期减速增加，最后趋于稳定值；而重塑团粒膨润土膨胀力前期快速增大至峰值后出现微幅下降，随后增长至稳定值。②泥岩的极限膨胀应力与初始含水率呈负相关，与饱和吸水率呈正相关；重塑团粒膨润土的极限膨胀应力与饱和吸水率呈正相关。　　（2）基于相似理论设计膨胀性软岩隧道支护结构物理模型试验，开展加入缓冲层前和加入缓冲层后的物理模型对比试验，对比分析两种工况下的支护结构受力特性。研究结果表明：①加入缓冲层前后隧道围岩膨胀应力时程曲线趋势基本一致，且极限膨胀应力差异较小，即为支护结构变形对比试验提供相同应力环境，使得后续对比分析更具可靠性；②加入缓冲层前后支护结构整体均表现为拱顶下沉，拱底向上隆起，两侧拱腰向内变形，且最大变形位于拱顶处。③通过两次物理模型试验数据对比分析可知，加入缓冲层后拱顶、拱底和拱腰位移较加入前较小，通过计算得出隧道支护结构应变的缓释系数为30%-50%。　　（3）通过MIDAS GTS NX软件建立三维数值模型并引入泥岩和重塑团粒膨润土膨胀时程荷载，分析膨胀性软岩隧道支护结构在膨胀荷载作用下的受力变形特征。数值模拟结果表明：①加入缓冲层前后支护结构应变时程曲线趋势呈现一致，均表现为前期快速增大，持续1小时左右，随后缓速增长直至膨胀稳定，达到极限膨胀应变；②加入缓冲层后支护结构膨胀应变和位移较加入前数值降低，支护结构拱顶的应变缓释系数达到78.36%，支护结构拱顶的位移缓释系数达到43.64%；③数值模拟位移矢量图整体表现为拱顶下沉，拱底向上隆起，中部两侧拱腰向内变形。　　（4）通过物理模型试验和数值模拟计算对比分析可知：两种研究方法下的支护结构应变变化规律总体表现一致，其中数值模拟支护结构应变缓释效果较物理模型试验更明显。通过分析物理模型试验数据，基于隧道力学和弹塑性力学等理论，推导出膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释系数表达式。
作者：	赵先强
专业：	建筑与土木工程
导师：	左清军;李春军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	三峡大学
学位年度：	2021