發(fā)布時(shí)間：2017-12-14 13:04

  本文關(guān)鍵詞：炭質(zhì)千枚巖隧道圍巖流變機(jī)制與讓抗耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)研發(fā)及工程應(yīng)用

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【摘要】：在世界經(jīng)濟(jì)全球化和區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化的新形勢(shì)下,"一帶一路"的規(guī)劃與實(shí)施為我國交通建設(shè)事業(yè)帶來了巨大機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在我國西部地質(zhì)條件極其復(fù)雜的山嶺地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施如火如茶的規(guī)劃與修建中,涌現(xiàn)出了大量穿越強(qiáng)震重災(zāi)區(qū)深長大跨隧道工程,施工過程中面臨頻發(fā)的大變形、掉塊、塌方、巖爆和突水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害威脅,造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。穿越5·12汶川強(qiáng)震重災(zāi)區(qū)的炭質(zhì)千枚巖隧道,巖體經(jīng)歷強(qiáng)震的動(dòng)力揉搓損傷,強(qiáng)度低、層間結(jié)合差、節(jié)理裂隙發(fā)育、遇水泥化,具有顯著的流變特性,給隧道修建帶來了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文以穿越汶川強(qiáng)震重災(zāi)區(qū)高原鐵路某深長炭質(zhì)千枚巖隧道為工程依托,通過對(duì)多條典型炭質(zhì)千枚巖隧道大變形現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上,運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等研究手段,取得了如下具有一定理論價(jià)值和工程意義的研究成果:(1)基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)單軸、三軸及流變?cè)囼?yàn)結(jié)果,系統(tǒng)研究了隧址區(qū)炭質(zhì)千枚巖的工程特性及物理力學(xué)性質(zhì),系統(tǒng)總結(jié)了強(qiáng)震重災(zāi)區(qū)炭質(zhì)千枚巖隧道圍巖大變形特性、發(fā)生機(jī)制、破壞模式和影響因素,闡明了圍巖大變形環(huán)境下支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的力學(xué)機(jī)制;(2)考慮巖樣初始微裂隙損傷等固有初始屬性,引入了表征巖體固有初始屬性的系數(shù)m、n,提出了一種可描述微裂隙材料壓密變形的瞬時(shí)塑性體元件,建立了表征瞬時(shí)塑性體應(yīng)力應(yīng)變的指數(shù)函數(shù)關(guān)系;提出了以初始微裂隙損傷等固有屬性決定的非線性粘塑性流動(dòng)應(yīng)力閥值作為由穩(wěn)定蠕變向非線性加速蠕變過渡的判定點(diǎn)準(zhǔn)則;考慮材料受荷應(yīng)力水平α、非線性粘塑性流動(dòng)應(yīng)力觸發(fā)值σs及材料固有初始屬性β,優(yōu)化了非線性加速蠕變指數(shù)"s,建立了表征非線性加速蠕變應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的函數(shù)表達(dá)式;(3)構(gòu)建了能夠完整描述巖石蠕變?nèi)^程的非線性黏彈塑性蠕變本構(gòu)模型(INEVP),模型可以較好的表征巖石瞬時(shí)彈性—瞬時(shí)塑性—黏彈性—黏塑性變形,尤其適用于描述含有初始微裂隙損傷材料的瞬時(shí)變形及非線性加速蠕變變形;運(yùn)用MATLAB數(shù)值計(jì)算軟件,基于最小二乘法對(duì)INEVP模型中參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí);推導(dǎo)了本構(gòu)方程三維中心差分形式并開發(fā)了相應(yīng)計(jì)算程序,對(duì)比室內(nèi)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性和適用性;(4)建立了隧道三維計(jì)算模型,基于提出的INEVP模型,分析了炭質(zhì)千枚巖隧道三臺(tái)階施工過程中,不同臺(tái)階長度、不同支護(hù)時(shí)機(jī)等工況下拱頂沉降、拱腰水平收斂和邊墻水平收斂空間分布特征及變形時(shí)效特性,揭示了不同支護(hù)滯后時(shí)間影響下圍巖與初支的接觸壓力變化規(guī)律,為最優(yōu)支護(hù)時(shí)機(jī)與合理讓壓變形量的確定提供了理論依據(jù);(5)借鑒高層建筑框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,遵循"先讓后抗再剛"和"協(xié)同變形"的大變形控制思想,研發(fā)了鋼格柵混凝土核心筒新型讓抗耦合支護(hù)結(jié)構(gòu)(SGCCT支護(hù)結(jié)構(gòu)),介紹了 SGCCT支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成與特點(diǎn),建立了拱架定量讓壓計(jì)算方程與讓壓時(shí)機(jī)控制準(zhǔn)則;分析了拱架變形特征及荷載承擔(dān)比的變化規(guī)律;(6)選取圍巖大變形高風(fēng)險(xiǎn)段,開展了傳統(tǒng)型鋼拱架和SGCCT拱架現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn),研究了兩種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下圍巖收斂變形、圍巖深部位移、圍巖與初支接觸壓力、拱架內(nèi)力、錨桿軸力、初支與二襯接觸壓力和二次襯混凝土應(yīng)變的分布特征與變化規(guī)律;基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果,計(jì)算了兩種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)作用下荷載承擔(dān)比例系數(shù),為支護(hù)結(jié)構(gòu)安全判定提供了分析依據(jù);(7)研究成果在汶川強(qiáng)震區(qū)高原鐵路某深長炭質(zhì)千枚巖隧道和重慶市快速路一橫線歇馬隧道圍巖大變形災(zāi)害的預(yù)防與治理中得到了成功應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：U451.2
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本文編號(hào)：1287986