【摘要】：為了緩解日益緊張的交通運(yùn)輸壓力,我國(guó)掀起了大力建設(shè)鐵路、公路的浪潮,穿越不良地質(zhì)段的隧道工程日益增多,并且隨著鐵路及公路建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提高,不可避免地出現(xiàn)了大量的淺埋大跨膨脹土隧道。由于膨脹性圍巖吸水膨脹-失水收縮的特性,導(dǎo)致在隧道施工過(guò)程常常出現(xiàn)圍巖惡化情況,使圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形,甚至破壞,造成了一系列的安全事故,給工程質(zhì)量、進(jìn)度控制帶來(lái)了極大困難。鑒于膨脹土膨脹機(jī)理及工程特性的復(fù)雜性,目前膨脹性圍巖隧道的設(shè)計(jì)和施工還沒(méi)有成熟的原則和方法,其仍是隧道工程設(shè)計(jì)建設(shè)中的重大難題之一。因此開(kāi)展膨脹性圍巖隧道,尤其是淺埋大跨膨脹土隧道變形機(jī)理及支護(hù)力學(xué)行為研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。論文以中國(guó)中鐵總公司項(xiàng)目“鐵路淺埋大跨強(qiáng)膨脹土隧道關(guān)鍵技術(shù)研究”(重大-18-2011)為背景,依托云南呈貢隧道工程,針對(duì)淺埋大跨膨脹土隧道變形機(jī)理及支護(hù)力學(xué)行為,采用理論分析、解析公式推導(dǎo)、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,展開(kāi)了系統(tǒng)性研究,主要成果和結(jié)論如下：(1)采用有荷側(cè)限膨脹試驗(yàn)(試樣充分吸水后),建立了膨脹力與不用初始條件(不同干密度和不同初始含水量)多項(xiàng)相關(guān)關(guān)系,解決了以往公式中膨脹力與干密度、初始含水量單一的數(shù)學(xué)關(guān)系；建立了一定干密度情況下,膨脹率與上覆荷載和含水量的關(guān)系。采用直剪試驗(yàn)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系進(jìn)行了分析,擬合得到了剪應(yīng)力與上覆荷載和初始含水量的關(guān)系曲線。(2)基于改進(jìn)的三軸試驗(yàn),提出了一種膨脹土試樣在三向應(yīng)力作用下膨脹土體積膨脹率與“過(guò)程含水量”關(guān)系曲線的測(cè)定方法,使得室內(nèi)試驗(yàn)和工程實(shí)際達(dá)到較好吻合,對(duì)研究膨脹土的力學(xué)行為具有更好的科學(xué)性和合理性。(3)基于彈性力學(xué)原理,推導(dǎo)得到了深淺埋隧道圍巖在不同膨脹條件下,隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力及變形的解析解。從理論上分析判明隨圍巖膨脹率和結(jié)構(gòu)支護(hù)剛度變化時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分布規(guī)律,可為膨脹土隧道設(shè)計(jì)階段相關(guān)參數(shù)擬定以及施工階段采取應(yīng)對(duì)措施提供一定理論依據(jù)。(4)基于淺埋隧道掌子面失穩(wěn)的“一般”破壞模式,采用塑性極限分析上限定理,首次建立了淺埋膨脹土隧道掌子面極限支護(hù)力的上限解；分析了掌子面水平支護(hù)力影響因素,提出在淺埋條件下隧道埋深是影響掌子面水平支護(hù)力的首要因素；本研究成果可為淺埋膨脹土隧道掌子面加固(如掌子面錨桿加固)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。(5)針對(duì)淺埋膨脹土隧道掌子面錨桿加固設(shè)計(jì),通過(guò)大量室內(nèi)粘結(jié)性能試驗(yàn),獲得了玻璃纖維筋(GFRP)錨固性能指標(biāo)參數(shù)及其影響因素；采用數(shù)力方法,推導(dǎo)得到了錨桿的剪切剛度解析解,并且根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該解析解進(jìn)行了修正；在上述研究成果基礎(chǔ)上,采用理論和數(shù)值分析相結(jié)合的方法對(duì)玻璃纖維筋加固長(zhǎng)度、根數(shù)及范圍等對(duì)掌子面加固效果進(jìn)行量化研究,得到合理的玻璃纖維筋掌子面加固參數(shù)。(6)采用三維有限差分方法,研究施工過(guò)程中膨脹土隧道開(kāi)挖卸荷引起圍巖應(yīng)力和變形規(guī)律、支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載分布形式及受力特性、掌子面變形及穩(wěn)定性,對(duì)比分析了管棚+上下臺(tái)階法、管棚+上下臺(tái)階留核心土法和管棚+全斷面+掌子面錨桿法三種開(kāi)挖方法的優(yōu)缺點(diǎn),確定淺埋大跨膨脹土隧道施工的合理開(kāi)挖方法,并針對(duì)膨脹土隧道施工穩(wěn)定性問(wèn)題提出相應(yīng)防治措施。(7)建立了基于η—ω關(guān)系曲線以及土水特征曲線連成作用下的膨脹土隧道圍巖吸水膨脹力學(xué)模型；并通過(guò)ABAQUS有限元數(shù)值分析,探明了“膨壓效應(yīng)”影響下淺埋大跨隧道圍巖膨脹前后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力特性,確定出膨脹范圍,合理評(píng)價(jià)了淺埋膨脹土隧道圍巖吸水膨脹對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。(8)基于依托工程隧道多斷面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究膨脹土地層圍巖及隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力及變形特性,掌握膨脹性圍巖與初支、初支與二襯之間的接觸壓力以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布特征,明確二襯支護(hù)在膨脹土隧道施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中荷載的分擔(dān)比,并確定隧道開(kāi)挖對(duì)洞周的影響范圍�；谑┕ば畔⒒O(jiān)控量測(cè)結(jié)果,及時(shí)反饋,優(yōu)化隧道設(shè)計(jì)和施工,為膨脹土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全建立技術(shù)保障體系以及工程應(yīng)對(duì)和風(fēng)險(xiǎn)控制提供科學(xué)決策依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：U455.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2356288