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含水砂层隧道围岩失稳破坏机理及土拱效应应力分布研究
| 论文题名： | 含水砂层隧道围岩失稳破坏机理及土拱效应应力分布研究 |
| 关键词： | 砂层隧道;围岩失稳;细观参数;流固耦合;土拱效应 |
| 摘要： | 砂层隧道围岩失稳问题一直是隧道研究领域的重点问题，研究砂层隧道围岩的失稳破坏机理对隧道前期设计和后期养护都具有重要意义。本文基于颗粒流软件PFC3D，分别建立了常规三轴压缩试验模型、含水砂层隧道开挖模型和Trapdoor（自由门）试验模型，系统研究分析了砂土宏细观参数之间的关系、含水砂层隧道围岩失稳破坏过程及其影响因素、自由门土拱效应竖向应力分布规律。主要有以下内容和结论： （1）通过建立常规三轴压缩试验模型研究砂土颗粒宏细观参数之间的关系，研究发现数值模型试样的弹性模量随着颗粒法向刚度的增大而增大，随着颗粒摩擦系数的增大而增大，随着孔隙率的增大而减小；数值模型试样的峰值强度随着颗粒摩擦系数的增大而增大，随着孔隙率的增大而缓慢减小。砂土细观参数对宏观参数的影响程度由大到小依次为：颗粒摩擦系数、颗粒横向刚度、孔隙率、颗粒切向刚度。 （2）通过建立含水砂层隧道开挖模型对隧道围岩的失稳破坏过程进行整体分析，研究发现砂层围岩在横向渗流和竖向渗流分别作用下，开挖面附近的土体逐渐开始松动且发生滑移，随着模型计算时步的增大，颗粒滑移区域越来越大，土拱效应逐渐减弱，土颗粒逐渐流失，土层开始发生变形，地表也发生沉降，考虑渗流作用下的砂层围岩比无渗流时更容易发生失稳破坏。 （3）通过含水砂层隧道开挖模型探讨渗流压力、隧道直径、隧道埋深和颗粒摩擦系数对含水砂层隧道围岩失稳破坏的影响。研究发现当渗流压力增大时，土颗粒滑移区域增大，颗粒流失率增大，地表沉降量也增大。当隧道直径增大时，围岩发生滑动的区域越来越大，颗粒流失率增大，地表沉降量也随之增大。当隧道埋深增大时，开挖面上方土层厚度增大，土拱效应增强，对地表影响变小。当增大颗粒摩擦系数时，颗粒与颗粒之间的摩擦力变大，土层更容易产生土拱效应，围岩的滑移区域变小，颗粒流失率以及地表沉降量逐渐减小。 （4）通过Trapdoor数值模型对砂层土拱效应竖向应力分布规律进行研究，研究发现当自由门向下移动时，其附近土体竖向应力沿水平方向呈对称分布，其对称轴为自由门中心线，且在自由门下移过程中，自由门正上方土体竖向应力逐渐减小，自由门两侧土体竖向应力逐渐增大；自由门两侧土体在竖直方向上的竖向应力分布与其理论自重应力分布基本一致，而自由门正上方且距离自由门较远的土体，其竖向应力值与理论自重应力值几乎一致，但距离自由门较近的土体，其竖向应力值远小于理论自重应力值。 |
| 作者： | 陈叶基 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 吉小明 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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