穿越石膏岩地层长大公路隧道稳定性研究

摘要

近年来，随着“一带一路”战略的推进，我国高速公路建设迅速发展。高速公路的修建也逐渐从平原地区发展到山岭地区，公路隧道成为实现穿山越岭的重要方案。随着修建的公路隧道越来越多，工程面对的地质条件和岩土特性就越来越复杂多样，在大长隧道的修建过程中，高地应力、岩溶、瓦斯、软岩大变形和膨胀性岩石等工程问题也越来越突出。本文以重庆市梁忠高速公路控制性工程—礼让隧道工程为研究对象，通过现场调查、理论分析、室内试验、数值模拟和现场监控量测等相结合的方法，开展穿越石膏岩地层隧道围岩与支护结构稳定性研究。论文的主要研究内容和成果如下：　　①从礼让隧道现场采集石膏岩原岩，对其展开了物理力学性质试验，获得了石膏岩的组成、天然含水率、抗拉强度、抗压强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等物理力学参数，分析了石膏岩的膨胀特性及其影响因素；　　②采用自适应全自动岩石三轴试验机对石膏岩试样进行了加轴压卸围压的三轴卸荷试验，获得了石膏岩在加轴压卸围压条件下的应力—应变曲线，分析得到石膏岩在加轴压卸围压条件下的力学参数、变形特征以及能量变化规律；　　③基于石膏岩的三轴卸荷试验结果，在Mohr-Coulomb本构模型的基础上，提出了能够表征石膏岩在卸荷过程中力学行为的本构模型，并采用FLAC3D软件进行了数值模拟验证，结果表明新的本构模型在描述石膏岩卸荷强度和变形特征具有良好的适应性；　　④详细分析石膏岩岩块的力学参数和礼让隧道所在区域的工程地质和水文地质条件的基础上，依据广义Hoek-Brown准则，获得了石膏岩岩体的力学参数；　　⑤基于数值模拟，获得穿越石膏岩地层的隧道施工期间围岩变形的变化规律，并与现场监控量测结果进行了对比分析，结果表明，数值模拟能够较好的反映隧道围岩的变化规律；　　⑥采用FALC3D软件，对穿越石膏岩地层的隧道围岩稳定性的影响因素进行分析，获得了地质强度指标、隧道埋深、地应力侧压系数和隧道断面扁平率等影响因素对隧道围岩稳定性的影响规律；　　⑦分析穿越石膏岩地层隧道承受膨胀力的典型断面，采用MIDAS/GTS有限元软件，对穿越石膏岩地层隧道支护结构在膨胀力作用下的内力进行了分析，并基于综合安全系数法得到了隧道二次衬砌的综合安全系数。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容与技术路线

2 石膏岩物理力学特性试验研究

2.1 引言

2.2 试验准备

2.3 石膏岩的天然含水率试验

2.4 石膏岩的抗拉强度试验

2.5 石膏岩的单轴压缩试验

2.6 石膏岩的三轴压缩试验

2.7 石膏岩的膨胀特性及其影响因素

2.8 本章小结

3 石膏岩三轴卸荷试验及其能量演化规律研究

3.1 引言

3.2 试验方案

3.3 卸荷试验结果分析

3.4 石膏岩卸荷能量演化规律分析

3.5 本章小结

4 卸荷条件下石膏岩本构模型研究

4.1 引言

4.2 数值软件与经典本构模型介绍

4.3 石膏岩卸荷的应变软化本构模型

4.4 石膏岩卸荷应变软化模型的数值验证

4.5 本章小结

5 穿越石膏岩地层隧道施工期间围岩稳定性数值模拟分析

5.1 引言

5.2 依托工程概况

5.3 岩体力学参数的确定

5.4 礼让隧道施工过程数值模拟的模型建立与参数选择

5.5 隧道开挖过程数值模拟结果分析

5.6 不同施工方法条件下隧道施工数值模拟结果分析

5.7 本章小结

6 穿越石膏岩地层隧道围岩稳定性的影响因素分析

6.1 引言

6.2 计算模型与力学参数设计

6.3 隧道围岩稳定性的判断依据

6.4 穿越石膏岩隧道围岩稳定性的影响因素分析

6.5 本章小结

7 石膏岩的膨胀特性对隧道支护结构的影响分析

7.1 引言

7.2 隧道支护结构工作状态的判断依据

7.3 计算模型与力学参数设计

7.4 数值模拟计算结果分析

7.5 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目