【摘要】：硬石膏巖分布廣泛,是隧道工程中常遇到的一類特殊巖體,遇水后膨脹狀態(tài)和含水狀態(tài)隨時間持續(xù)變化,可導(dǎo)致圍巖持續(xù)變形或支護(hù)結(jié)構(gòu)受力持續(xù)增大。硬石膏圍巖的膨脹性具有不穩(wěn)定和分布不均等特點,這顯著增加了隧道設(shè)計和施工中的不確定性,提高了設(shè)計和施工的難度,影響隧道的可靠性。本文以禮讓隧道為工程背景,研究了隧址處硬石膏巖的物理性質(zhì)和力學(xué)特性;分別探究了持續(xù)供水、非持續(xù)供水以及壓力水作用下,硬石膏原巖樣的吸水-膨脹演化規(guī)律;基于此規(guī)律,系統(tǒng)地研究了考慮吸水-膨脹演化特性的圍巖-支護(hù)演化模型,并進(jìn)一步考慮地下水的滲流運動,研究了考慮圍巖滲流場的吸水-膨脹演化模型;綜合上述研究,結(jié)合收斂-約束理論,探究了吸水-膨脹演化對隧道施工期可靠性影響。論文主要結(jié)論如下:(1)隧址處三疊系下統(tǒng)嘉陵江組地層中主要含有1級石膏巖和1級硬石膏巖;獲得了兩類巖石天然含水率、干密度和滲透系數(shù)的統(tǒng)計特征;獲得了硬石膏巖彈性模量、泊松比、抗拉強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、殘余粘聚力和殘余內(nèi)摩擦角的統(tǒng)計特征。(2)持續(xù)供水條件下,硬石膏巖持續(xù)膨脹,軸向膨脹應(yīng)變及側(cè)向膨脹應(yīng)力的增量隨時間先增大再減小,吸水率、結(jié)晶水率和水化率逐漸增大,而自由水率逐漸減小;非持續(xù)供水條件下,隨初始濕度的增加,硬石膏巖膨脹持續(xù)的時間增長,最大軸向膨脹應(yīng)變和最大側(cè)向膨脹應(yīng)力增大,膨脹終止時的吸水率和結(jié)晶水率增大,而自由水率趨于零。(3)研制了能考慮水壓的膨脹試驗儀,進(jìn)行硬石膏膨脹試驗,結(jié)果表明:水壓能增強(qiáng)膨脹性,促進(jìn)膨脹的激活,通過增大結(jié)晶水率而使吸水率增大。(4)基于膨脹試驗結(jié)果,建立了吸水演化方程;將浸水時間和水壓作為影響因子,以吸水演化方程為橋梁,利用濕度應(yīng)力場理論將其引入到膨脹本構(gòu)方程中,建立了吸水-膨脹演化本構(gòu)模型。(5)基于吸水-膨脹演化規(guī)律,針對簡化的圓形軸對稱隧道,建立了圍巖彈-膨脹演化、彈-塑-膨演化和彈-脆-膨演化模型,并給出了相應(yīng)的求解方法�？紤]初期支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用關(guān)系,結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)特征方程,建立了三種圍巖-支護(hù)演化模型。(6)基于吸水-膨脹演化規(guī)律,結(jié)合滲流理論,建立了考慮滲流場的硬石膏吸水-膨脹演化模型。基于該模型與熱分析模型在數(shù)學(xué)表達(dá)式上的一致性,借助ANSYS熱分析模塊,建立了通用計算流程。(7)基于收斂-約束原理,分別采用三種圍巖-支護(hù)演化模型及考慮滲流場的吸水-膨脹演化模型,構(gòu)建了功能函數(shù)。依托ANSYS的PDS模塊,建立了通用可靠度計算流程,用于分析滲流場中硬石膏巖隧道施工期的可靠性。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U455
【圖文】：

1 緒 論1 緒 論1.1 研究背景及意義我國是一個多山的國家，在中西部地區(qū)，隨著鐵路、公路建設(shè)發(fā)展，隧道作為縮短行車時間及里程、改善交通路線的一種有效手段在交通建設(shè)中發(fā)揮著越來越大的作用。近十幾年來，我國地下工程及隧道建設(shè)事業(yè)發(fā)展較快，隧道長度、數(shù)量逐年增長。圖 1.1 是我國鐵路和公路隧道近些年來的增長曲線[1]。隧道的發(fā)展有利于充分利用國土資源，具有節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢，特別是在改善我國油氣能源儲備及水資源條件方面，發(fā)揮重大作用。隨著我國鐵路、公路進(jìn)一步向西部地區(qū)延伸，我國隧道的總長度與數(shù)量會不斷提升，隧道設(shè)計和施工中遇到新的工程問題也會越來越多。

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文瑞士的 Chienberg 隧道，其底板在含硬石膏粘土巖的膨脹作用下發(fā)生嚴(yán)重。在西班牙從馬德里到巴塞羅那的高速公路上，有三條隧道修建于第三紀(jì)的粘土巖層中，這三條隧道都因遭受膨脹問題而被學(xué)者們廣泛關(guān)注。L受膨脹破壞最嚴(yán)重的一條。在 2002 年的夏末首次觀測到底板的隆起，僅后，當(dāng)隧道全部開挖完畢時，隆起量已導(dǎo)致底板嚴(yán)重的破壞[6]。在國內(nèi)，20的十字埡隧道，穿越硬石膏巖層部分在 2004 年發(fā)生了路面開裂、邊溝變 8]；成昆鐵路南段從石膏箐到岳家村長約 40 公里內(nèi)，有 19 座隧道的底板程度的破壞[9]，且這些都是因為仰拱不足以抵抗硬石膏巖的膨脹性。剛剛的重慶梁忠高速公路禮讓隧道，穿越長達(dá) 600 米的石膏質(zhì)巖層，其施工面臨著硬石膏膨脹性的困擾。含有硬石膏巖的隧道開挖后，通常都能觀的膨脹現(xiàn)象。相比于其它膨脹巖，硬石膏巖隧道膨脹問題具有兩個特征間長和沒有明顯穩(wěn)定的膨脹壓力[10]，這顯著增加了隧道支護(hù)設(shè)計的難度

技術(shù)路線圖

【參考文獻(xiàn)】

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1 羅遠(yuǎn)慶;;深埋軟弱圍巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性研究[J];黑龍江交通科技;2015年09期

2 王凱;刁心宏;;膨脹巖濕度應(yīng)力場本構(gòu)模型二次開發(fā)研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2015年S2期

3 蘇永華;梁斌;;隧道結(jié)構(gòu)中承載圍巖變形失穩(wěn)概率分析方法[J];土木工程學(xué)報;2015年08期

4 邵龍?zhí)?郭曉霞;鄭國鋒;;粒間應(yīng)力、土骨架應(yīng)力和有效應(yīng)力[J];巖土工程學(xué)報;2015年08期

5 洪開榮;;我國隧道及地下工程發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J];隧道建設(shè);2015年02期

6 李生杰;楊曉華;李玄哲;;烏鞘嶺公路隧道破碎巖體段結(jié)構(gòu)可靠性評價[J];公路交通科技;2014年11期

7 張建智;俞縉;蔡燕燕;陳士海;林從謀;;滲水膨脹巖隧洞黏彈塑性蠕變解及變形特性分析[J];巖土工程學(xué)報;2014年12期

8 賴建英;刁心宏;;基于正交設(shè)計的膨脹巖相似材料試驗研究[J];蘭州理工大學(xué)學(xué)報;2014年04期

9 姜德義;張軍偉;陳結(jié);任松;楊春和;;巖鹽儲庫建腔期難溶夾層的軟化規(guī)律研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2014年05期

10 曾仲毅;徐幫樹;胡世權(quán);陳誠;;增濕條件下膨脹土隧道襯砌破壞數(shù)值分析[J];巖土力學(xué);2014年03期

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1 吳康保;景詩庭;;淺埋暗挖地下結(jié)構(gòu)可靠度分析[A];中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第三次大會論文集[C];1994年

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1 張道兵;深埋硐室圍巖壓力上限解與結(jié)構(gòu)體系可靠度[D];中南大學(xué);2014年

2 羅偉;淺埋偏壓隧道穩(wěn)定性分析及其可靠度研究[D];中南大學(xué);2014年

3 吳銀亮;石膏質(zhì)巖工程地質(zhì)特性及其對隧道混凝土結(jié)構(gòu)危害機(jī)制研究[D];中國地質(zhì)大學(xué);2013年

4 牛澤林;基于可靠度理論的黃土隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全評價與分析方法[D];長安大學(xué);2012年

5 張建新;天然硬石膏水化硬化及活性激發(fā)研究[D];重慶大學(xué);2009年

6 唐雄俊;隧道收斂約束法的理論研究與應(yīng)用[D];華中科技大學(xué);2009年

7 付俊峰;基于水頭和飽和度分布的雙變量土壩滲流研究[D];大連理工大學(xué);2009年

8 滕宏偉;隧道特殊大變形段初支開裂機(jī)理及二次襯砌結(jié)構(gòu)可靠度研究[D];重慶大學(xué);2008年

9 李芳成;地下結(jié)構(gòu)可靠性廣義特征與應(yīng)用研究[D];山東科技大學(xué);2003年

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1 連奇;貴廣高鐵尖山營特大橋橋區(qū)全風(fēng)化膨脹巖膨脹特性試驗研究[D];西南交通大學(xué);2017年

2 劉文斌;陡傾含軟弱夾層圍巖隧道初期支護(hù)可靠度研究[D];重慶大學(xué);2016年

3 裴曉彤;單線鐵路地質(zhì)偏壓隧道襯砌可靠性研究[D];西南交通大學(xué);2016年

4 張程;基于流固耦合隧洞的有限元分析及其仿真[D];青海大學(xué);2016年

5 鄧高嶺;禮讓隧道石膏質(zhì)圍巖軟化機(jī)理及模型研究[D];重慶大學(xué);2015年

6 孫東媛;軟弱夾層對隧道動力可靠性的影響研究[D];大連理工大學(xué);2015年

7 李清淼;加卸載圍壓條件下巖石峰后力學(xué)特性試驗研究[D];重慶大學(xué);2015年

8 徐孟林;滲流水對隧道圍巖應(yīng)力及位移影響的研究[D];大連大學(xué);2014年

9 何婷婷;基于支持向量機(jī)的邊坡可靠性分析[D];浙江大學(xué);2014年

10 李玄哲;安遠(yuǎn)隧道變質(zhì)砂巖段結(jié)構(gòu)安全可靠性評價研究[D];長安大學(xué);2013年

本文編號：2796041