降雨入渗对浅埋膨胀土隧道稳定性影响分析

摘要

降雨入渗使得浅埋膨胀土隧道围岩产生显著的增湿膨胀效应，围岩应力水平的增加将导致支护结构受力及变形增大，危及工程安全。因此开展膨胀土隧道在降雨入渗条件下的稳定性研究具有重要的工程应用价值。本文以某浅埋膨胀土隧道为工程依托，通过室内试验、理论分析以及数值模拟相结合的方法进行一系列相关研究。主要研究内容和成果如下：
　　（1）开展膨胀土室内试验，获取膨胀土的基本物理力学参数和膨胀潜势；根据直剪试验结果，建立膨胀土强度参数随含水率变化的经验公式；采用滤纸法测得膨胀土在吸湿过程中基质吸力随含水率的变化规律，对试验数据按 V-G模型进行曲线拟合并确定拟合参数。
　　（2）基于“湿度应力场理论”，提出一种结合 FLAC3D软件中的渗流模块和热传导模块模拟膨胀土增湿膨胀效应的数值分析方法。根据渗流和热传导微分方程的相似性，确定温度场与渗流场中相关参数的转换关系，并通过编制相关 FISH语言程序，实现对降雨入渗条件下的非饱和渗流和增湿膨胀过程的模拟。
　　（3）采用上述数值分析思路，针对依托浅埋膨胀土隧道实际工程，对其在降雨入渗过程中围岩变形及支护结构受力特性进行分析研究，并对渗透系数、膨胀系数及降雨强度对支护结构受力的影响进行参数分析。结果表明：降雨入渗过程中，围岩水平应力增大明显，而垂直应力变化不大；支护结构逐渐由竖向挤压变形转变为水平向挤压变形；土体渗透系数、膨胀系数以及降雨强度对支护结构受力影响较大，在裂隙较为发育或膨胀性较强的膨胀土地区的隧道施工中，应提前做好隧道的防排水措施，严格控制雨水渗入量。

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1 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的研究内容

2 膨胀土室内试验研究

2.1 基本物理力学指标

2.2 膨胀土膨胀性试验

2.3 不同含水率下强度参数测定

2.4 膨胀土土-水特征曲线测定

3 降雨入渗基本问题及非饱和渗流理论

3.1 降雨入渗基本问题

3.2 非饱和土基本特性

3.3 非饱和渗流基本理论

4 非饱和渗流及增湿膨胀数值实现

4.1 FLAC3D计算原理

4.2 FLAC3D渗流模块

4.3 FLAC3D热传导模块

4.4 非饱和渗流过程数值实现

4.5 增湿膨胀过程数值实现

5 降雨条件下浅埋膨胀土隧道稳定性数值分析

5.1 工程背景及设计概况

5.2 数值计算模型

5.3 计算结果分析

5.4 参数分析

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间研究成果及学术交流

附录2 攻读学位期间参与的科研项目