不同含水状态下泥质红砂岩的蠕变特性及其对隧道围岩稳定性的影响分析

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泥质红砂岩作为一种在我国广泛分布的软岩,其含泥量大,具有明显的蠕变效应,而水又会加剧泥质红砂岩的蠕变。软岩的蠕变易导致岩土及地下工程在施工期失稳和破坏,因此研究不同含水状态下泥质红砂岩的蠕变特性及其对隧道围岩稳定性的影响,对保障与水联系密切的软岩隧道的施工安全具有重要的工程意义。依托赣州市蓉江四路过江隧道工程,以工程现场的泥质红砂岩为研究对象,开展了干燥、自然及饱和状态下的强度及蠕变试验,得到了不同含水状态泥质红砂岩蠕变特性,并通过宏细观分析,揭示了不同含水状态泥质红砂岩蠕变破坏的差异机制。然后根据蠕变试验结果选取Burgers模型对泥质红砂岩蠕变试验结果进行分析和参数反演,将试验所得物理力学参数和反演所得蠕变模型参数用于数值模拟,研究分析陆域段隧道开挖支护15天内的应力和变形分布情况,文中主要开展的研究工作及成果如下:(1)根据实际工况,自工程现场取岩石进行加工,制成试样。对试样进行纵波波速测试,保留波速差异较小的试样,以降低试验结果的离散性。通过对泥质红砂岩的物理指标的测试,得到了泥质红砂岩的基本物理参数。然后对不同含水状态的泥质红砂岩开展单轴压缩和三轴压缩试验,整理计算得到泥质红砂岩的力学参数和相应条件下的应力变形及强度特性指标。同时明确了自然状态与饱和状态泥质红砂岩的强度与变形特性的差异。(2)对干燥、自然和饱和状态下的泥质红砂岩开展单轴蠕变试验,采用稳态蠕变法计算得到了干燥、自然和饱和状态下的泥质红砂岩长期强度。结果表明:饱水状态的试样蠕变破坏的极限变形量小于干燥状态下的极限变形量;泥质红砂岩的长期强度受水的影响大,在有水作用的工程施工段中应考虑围岩强度的折减问题。(3)对自然和饱水状态的泥质红砂岩开展三轴卸荷和卸围压蠕变试验,通过卸围压模拟开挖过程,得到围岩变形的规律。结果表明:围压的改变对横向应变的影响更大,在隧道开挖时应重点关注拱腰的变形。(4)开展了干燥与饱水状态下泥质红砂岩蠕变破坏形态宏观分析,发现泥质红砂岩的压缩破坏属于压剪破坏;通过电镜扫描对破坏断面进行细观分析,干燥状态的泥质红砂岩结构紧密,而经过饱水的泥质红砂岩有大量孔隙和小颗粒,结构疏松,总结了干燥和饱水状态泥质红砂岩受压破坏形式的差距及产生机理。(5)通过引入Burgers模型对不同含水状态的泥质红砂岩的蠕变曲线进行拟合,反演得到泥质红砂岩的蠕变参数,试验结果和拟合结果的相关系数平均值在0.93左右,证明了Burgers能很好地描述泥质红砂岩的蠕变,同时也能为后期的数值模拟提供蠕变参数。(6)根据工程概况,建立陆域段隧道模型,应用FLAC3D软件,基于FISH语言,利用试验所得参数对模型进行赋值、计算。分析结果表明:饱和状态下拱顶围岩变形量远大于自然状态下的变形量,开挖富水段时应注意防水并加强支护;隧道在开挖支护的5天内,拱脚存在应力集中现象,应密切关注;围岩的变形与实测数据接近,证实了用Burgers模型描述泥质红砂岩蠕变的合理性和正确性。
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