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硬石膏岩分布广泛,是隧道工程中常遇到的一类特殊岩体,遇水后膨胀状态和含水状态随时间持续变化,可导致围岩持续变形或支护结构受力持续增大。硬石膏围岩的膨胀性具有不稳定和分布不均等特点,这显著增加了隧道设计和施工中的不确定性,提高了设计和施工的难度,影响隧道的可靠性。本文以礼让隧道为工程背景,研究了隧址处硬石膏岩的物理性质和力学特性;分别探究了持续供水、非持续供水以及压力水作用下,硬石膏原岩样的吸水-膨胀演化规律;基于此规律,系统地研究了考虑吸水-膨胀演化特性的围岩-支护演化模型,并进一步考虑地下水的渗流运动,研究了考虑围岩渗流场的吸水-膨胀演化模型;综合上述研究,结合收敛-约束理论,探究了吸水-膨胀演化对隧道施工期可靠性影响。论文主要结论如下:(1)隧址处三叠系下统嘉陵江组地层中主要含有1级石膏岩和1级硬石膏岩;获得了两类岩石天然含水率、干密度和渗透系数的统计特征;获得了硬石膏岩弹性模量、泊松比、抗拉强度、粘聚力、内摩擦角、残余粘聚力和残余内摩擦角的统计特征。(2)持续供水条件下,硬石膏岩持续膨胀,轴向膨胀应变及侧向膨胀应力的增量随时间先增大再减小,吸水率、结晶水率和水化率逐渐增大,而自由水率逐渐减小;非持续供水条件下,随初始湿度的增加,硬石膏岩膨胀持续的时间增长,最大轴向膨胀应变和最大侧向膨胀应力增大,膨胀终止时的吸水率和结晶水率增大,而自由水率趋于零。(3)研制了能考虑水压的膨胀试验仪,进行硬石膏膨胀试验,结果表明:水压能增强膨胀性,促进膨胀的激活,通过增大结晶水率而使吸水率增大。(4)基于膨胀试验结果,建立了吸水演化方程;将浸水时间和水压作为影响因子,以吸水演化方程为桥梁,利用湿度应力场理论将其引入到膨胀本构方程中,建立了吸水-膨胀演化本构模型。(5)基于吸水-膨胀演化规律,针对简化的圆形轴对称隧道,建立了围岩弹-膨胀演化、弹-塑-膨演化和弹-脆-膨演化模型,并给出了相应的求解方法。考虑初期支护结构与围岩的相互作用关系,结合支护结构特征方程,建立了三种围岩-支护演化模型。(6)基于吸水-膨胀演化规律,结合渗流理论,建立了考虑渗流场的硬石膏吸水-膨胀演化模型。基于该模型与热分析模型在数学表达式上的一致性,借助ANSYS热分析模块,建立了通用计算流程。(7)基于收敛-约束原理,分别采用三种围岩-支护演化模型及考虑渗流场的吸水-膨胀演化模型,构建了功能函数。依托ANSYS的PDS模块,建立了通用可靠度计算流程,用于分析渗流场中硬石膏岩隧道施工期的可靠性。