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原文传递层状千枚岩地层隧道围岩工程特性及支护结构损伤特征研究

论文题名：	层状千枚岩地层隧道围岩工程特性及支护结构损伤特征研究
关键词：	隧道围岩;层状千枚岩;结构损伤;应力状态;演化特征
摘要：	随着“一带一路”以及新一轮“西部大开发”国家战略的逐步深入，西部地区交通设施建设迎来快速发展的黄金期。由于西部地区山脉陡峻、沟壑纵横，千枚岩地层广泛分布，因此不可避免需要修建大量穿越千枚岩地层的隧道工程。千枚岩由于其强度低、遇水软化，具有显著各向异性和流变性等特点，导致隧道容易出现围岩坍塌、初期支护侵限、二次衬砌开裂等变形破坏现象，严重威胁施工人员以及后期运营阶段行人、车辆的安全。　　论文依托国家自然科学基金资助项目—千枚岩地层隧道结构劣化及全生命期服役性能诊断研究、国家重点研发计划任务子课题—长大隧道结构系统识别、健康诊断及全生命期性能演变等项目，采用室内试验、现场测试、理论分析、数值计算等手段，从宏微观相结合角度对千枚岩工程特性、损伤演化规律、能量演化特征、流变特征、围岩破坏模式、支护结构损伤特征等六方面进行系统研究，主要完成工作如下：　　（1）基于不同含水率、不同结构面角度千枚岩试样的矿物成分及微观结构、物理性质、巴西劈裂、单轴压缩等一系列物理力学试验结果，对千枚岩微观结构特征、水理性质、力学性质以及变形破坏模式进行系统深入研究；将声发射定位与数字散斑技术相结合，从微观角度对千枚岩结构特征和水影响下的微损伤衍生、分布、扩展规律进行揭示，建立微损伤分布与千枚岩各向异性特征产生、脆延性破坏转化的关系。　　（2）基于三轴试验结果，对应力状态、结构面角度影响下的千枚岩损伤演化特征以及水对千枚岩物理力学特性弱化机理进行分析；以连续损伤理论和统计强度理论为基础，对weibull分布千枚岩损伤统计模型参数进行敏感性分析，研究模型参数内在含义，构建应力状态、结构面角度、含水率三因素耦合的千枚岩体损伤统计模型；在此基础之上，提出了基于损伤度的围岩稳定性预警标准。　　（3）系统开展不同含水率、结构面角度下千枚岩单轴压缩一次加卸载试验，基于能量观点，对不同结构面角度、含水率条件下能量（耗散能、弹性能、总输入能）演化规律进行分析；建立结构面角度、含水率与岩石压缩储能系数关系；分析比较软硬岩间各能量指标间的演化特征，提出脆延性指数这一新的能量评价指标，从能量角度对结构特征及含水率影响下的千枚岩脆延性转换机理进行了揭示；将脆延性指数与岩石压缩储能系数相结合，建立能完整表征峰前、峰后能量演化行为的千枚岩地层隧道大变形趋向性判据。　　（4）基于对在建汶马高速公路隧道工程典型千枚岩地层断面围岩变形及支护结构内力监测结果，对围岩、支护结构受力变形规律，锚杆受力规律、初期支护与二次衬砌荷载转移规律进行分析；对隧道千枚岩地层段围岩坍塌、初期支护破坏段进行归纳总结，提出了层状千枚岩隧道“结构面控制型和结构面/基质交叉控制型”两种破坏模式，并进一步基于离散元-有限差分的耦合方法对围岩变形破坏过程进行分析；对FLAC3D中的PILE结构单元进行修正，赋予其剪断特性，实现锚固体中锚杆剪切形变的全过程模拟；将损伤因子引入摩尔-库伦本构，并采用C++语言编程，建立能反映初期支护全过程损伤效应的损伤统计模型，结合能体现锚杆剪断效应的修正PILE结构单元，通过三维数值模型分析，揭示了千枚岩隧道围岩两种破坏模式下初期支护损伤演化特征。　　（5）基于不同结构面角度、不同含水率条件下的千枚岩单轴流变试验结果，对结构面角度、水影响下的千枚岩流变特性进行了分析；以西原流变本构模型为基础，引入非线性粘塑性体以及各向异性塑性体，构建能够反映千枚岩结构特征以及流变三阶段特征的非线性黏弹塑性流变本构模型，应用非线性粘弹塑性模型理论将本构方程推广到三维状态，对本构模型进行有限差分形式二次开发，并验证了二次开发模型的正确性。　　（6）基于汶马高速隧道工程典型千枚岩地层断面锚杆轴力、初期支护与二次衬砌接触压力、二次衬砌内力等项目的长期监测结果，分析隧道支护结构在流变荷载长期作用下的受力变化特征；构建基于离散元的流变各向异性模型，对不同工况下的二次衬砌开裂特征进行分析，提出千枚岩的结构特征和流变特性影响下的千枚岩地层隧道二次衬砌开裂机理；基于二次开发的流变本构模型，建立了反映千枚岩结构面弱化及流变效应的三维数值力学模型，揭示了流变荷载作用下千枚岩隧道二次衬砌下混凝土结构累积损伤特征及分布规律。
作者：	刘银
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	张志强
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2019