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原文传递基于软化效应的软弱围岩隧道松动圈研究

论文题名：	基于软化效应的软弱围岩隧道松动圈研究
关键词：	隧道结构;软弱围岩;松动圈厚度;软化效应
摘要：	随着西部交通网的延伸扩展，隧道工程难免需要穿越山地丘陵地带，这对隧道设计和施工提出了很大挑战，尤其是在穿越软弱围岩地层时，由于软弱围岩自身强度低，内部结构较破碎，极易产生安全隐患。由众多岩石力学试验结果可知，大部分完整性差或承载能力低的软弱围岩体在达到峰值强度后都具有应变软化特性，虽然现在关于岩体应变软化模型研究的理论和数值模拟手段都已经较为成熟，但考虑岩体应变软化作用对隧道开挖后围岩松动圈分布范围方面的研究少之又少，而松动圈分布范围又一定程度上可以反映隧道围岩稳定性，对隧道施工设计有一定的指导价值。　　因此本文以安岚高速中河隧道为项目依托，基于弹塑性力学知识和松动圈理论，选取统一强度准则对隧道围岩进行弹塑性分析，确定了常规围岩松动圈厚度和围岩位移计算表达式，进而考虑岩石峰后应变软化特征，建立了考虑应变软化作用的本构模型，进一步运用Flac3D软件建立数值模型进行模拟，最后将常规与考虑应变软化作用下的理论结果和模拟结果分别与现场实测结果比对，验证两种模型在软弱围岩隧道围岩进行力学分析时的合理性和适用性。具体研究内容及结论如下：　　（1）基于松动圈理论，选取合适的强度准则，对隧道围岩进行弹塑性分析，在此基础上考虑岩石峰后应变软化特征，将强度参数c、φ的衰减弱化关系引入到围岩力学分析中，建立了基于统一强度理论考虑应变软化作用的本构模型，进一步得到常规和考虑应变软化作用的围岩松动圈厚度和围岩位移计算表达式。　　（2）依据实际工程，分别对未考虑和考虑应变软化的隧道松动圈厚度和围岩位移进行理论计算，结果表明：相同围岩级别下，未考虑应变软化的隧道松动圈厚度和围岩位移均小于考虑应变软化作用的，且Ⅴ级围岩断面的松动圈和围岩位移均大于Ⅳ级围岩断面。　　（3）在理论计算的基础上，基于中河隧道工程实例，采用Flac3D数值模拟软件中内置的Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型分别对实际隧道工程进行开挖模拟计算，模拟结果表明：在整个模拟开挖过程中，当围岩级别相同时，应变软化模型产生的竖向位移量、水平位移量、松动圈厚度均比Mohr-Coulomb弹塑性模型大；当模型固定时，Ⅴ级围岩在开挖过程中产生的竖向位移量、水平位移量、松动圈厚度均比Ⅳ级围岩大。　　（4）通过现场测试确定了所选Ⅳ级围岩段、Ⅴ级围岩段的围岩位移大小和松动圈分布范围，将其分别与常规和考虑应变软化数值模型下得到的模拟结果、理论计算结果进行对比，得到了软弱围岩隧道围岩变形规律和松动圈分布特征，进一步结合现场实测结果与应变软化模型的理论计算结果相差不大的特点，验证了类似千枚岩类的软弱岩体在峰后都具有应变软化特征，由此可见，软弱围岩类隧道前期设计和后期施工时应考虑围岩体的应变软化特性，确保工程的安全稳定。
作者：	张煜
专业：	建筑与土木工程
导师：	邓祥辉;孙长海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西安工业大学
学位年度：	2022