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原文传递地表水入渗对节理黄土隧道力学行为影响研究

论文题名：	地表水入渗对节理黄土隧道力学行为影响研究
关键词：	隧道工程;地表水入渗;力学行为;数值模拟
摘要：	随着我国基础设施建设的不断发展，我国已经成为一个名副其实的隧道大国，不论是在隧道里程和数量，还是隧道设计施工技术方面都取得了巨大的进步，也在隧道勘察、设计和施工方面积累了大量经验。与此同时，隧道设计规划和建设施工所存在的种种问题也一一暴露，特别是在处理黄土这类特殊土质时，如何处理黄土的湿陷性、解决因围岩局部湿陷造成的偏压、应力集中等工程问题，成为了黄土地区隧道设计和施工中需要考虑的重要问题。本文以地表水节理入渗、隧道在节理入渗影响下的力学行为为主要研究内容，进行了理论研究与数值模拟，并取得了以下主要成果: 　　(1)对不同初始含水量的均质黄土进行了不同降雨量工况下的渗流模拟，对节理黄土进行了不同节理开度、不同节理数量和不透水层影响下的渗流模拟，模拟结果表明:均质黄土渗流强度和天然含水率、降雨量、黄土饱和渗透能力有密切关系，天然含水率大、竖向孔隙发育渗流系数大的天然黄土可以在较短时间的强降雨中形成渗入地层的湿润区。大开度节理在地表水入渗时会形成渗流优势通道，当开度逐渐增大，湿润区范围会从半圆到锥形再到铅垂线形渗流场转变;特别是当节理遇到不透水层后，由于不透水层对地表灌入水分的阻拦作用，会迅速形成以节理面为中心的铅锤线分布状渗流场，形成矩形饱和区。节理数量在小范围内增加可以起到更好的导水作用，并产生更大宽度的湿润锋和饱和区，并且在入渗后期多条节理相较单条节理可以更好地将地表水导入土壤深处，加快地表水入渗。　　(2)对已建成隧道进行了5种不同的围岩浸水湿陷工况下的数值模拟，得到如下结论:地表水均匀入渗工况下，岩层沉降均匀，衬砌主要受地表岩层重度增加的影响而产生一定的竖向位移，位移和应力增长幅度不大且均匀。隧道衬砌拱顶浸水主要影响拱顶和拱肩的受力，会使拱顶和两侧拱肩应力显著增大，其他位置受影响较小。在地表均匀入渗和拱顶浸水等渗透区域对称分布的工况下，地层和隧道围岩、衬砌的水平位移不大，弯矩、轴力对称分布，隧道不受偏压效应影响。单侧拱肩浸水工况下，拱顶、拱肩和拱腰都会出现显著的应力增大和两侧受力不平衡的情况，水平位移增大且两侧拱肩、拱腰水平位移不对称，隧道偏压受力特征显著。单侧拱脚浸水对隧道围岩自承能力影响最大，浸水一侧的围岩和衬砌会产生较大的沉降，衬砌弯矩显著提高。　　(3)使用三台阶法和交叉中隔壁法对5种围岩浸水工况进行了隧道开挖模拟，得出如下结论:交叉中隔壁施工法在各种工况下都具有优化衬砌受力、有效控制衬砌位移和围岩沉降的优势。交叉中隔壁法在拱顶浸水工况下对拱顶位移的控制和三台阶法没有明显优势，但是在衬砌整体位移控制方面有很好的效果。拱肩浸水隧道偏压工况下，交叉中隔壁法开挖能够有效控制围岩沉降和降低衬砌，拱顶、拱肩沉降比三台阶法减小30％，衬砌最大弯矩值较三台阶法下降35％。因此，隧道侧方围岩浸水工况下，宜采用每一步施工都进行闭合支护的施工方法以控制开挖沉降和充分利用围岩自承能力。
作者：	刘铭
专业：	水利工程
导师：	李清富
授予学位：	硕士
授予学位单位：	郑州大学
学位年度：	2021