Q2黄土地层干湿循环对隧洞稳定性影响——以引汉济渭南干线工程为例

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本文以引汉济渭南干线工程为研究背景,针对Q2黄土的强度、蠕变特性及其对隧洞围岩的放大效应、长期稳定性影响问题开展研究。通过查阅文献、室内试验及数值模拟等方法进行研究,进行了 Q2黄土的物理力学性质试验、直剪试验、单轴蠕变试验及扫描电镜试验,研究了其在干湿循环作用下的强度演化规律、蠕变特性及微观结构变化规律。基于FLAC3D数值软件,分析了 Q2黄土地层干湿循环作用下隧洞围岩压力的放大效应及隧洞长期稳定性影响,总结出了不同工况下的围岩变形特征及围岩压力分布模式。取得的主要结论和成果如下:(1)研究了干湿循环作用下原状黄土和重塑黄土的强度劣化规律。研究发现干湿循环次数从0次增加到5次,原状黄土的内摩擦角和粘聚力衰减量在24%~28%;重塑黄土的内摩擦角和粘聚力衰减量在30%~45%。(2)研究了干湿循环作用下原状黄土和重塑黄土的蠕变特性,当干湿循环次数从0次增加到5次,原状黄土的竖向应变增大了 45%~60%;重塑黄土的竖向应变增大了50%~65%。引入了 Burgers模型,建立了稳定阶段蠕变应变与干湿循环次数、轴向荷载的经验蠕变模型。(3)研究了干湿循环作用下原状黄土和重塑黄土的微观结构变化规律。研究发现干湿循环次数从0次增加到5次时,原状土孔隙数量增加了 16%~24%,分形维数增加了2%~4%;重塑土的孔隙数量增大了25%~38%,分形维数增大了4%~6%。从微观结构和孔隙性方面阐述了黄土干湿循环效应的产生机制。(4)基于FLAC3D有限差分软件,计算Q2黄土地层中隧洞蠕变100年后的围岩压力放大效应。结果表明干湿循环次数从0次增加到5次,洞周围岩压力比增大了 10~25%;随着隧洞埋深的增加,不考虑隧洞塑性区时洞周围岩压力比增大了 8%~10%,考虑时洞周围岩压力比增大了 12%~15%;随着地下水位的抬升,不考虑隧洞塑性区时洞周围岩压力比减小了 4%~24%,考虑时洞周围岩压力比减小了 8%~26%。(5)提出了黄土隧洞的围岩压力分布模式,研究发现干湿循环次数越多、隧洞埋深越浅,围岩压力分布越不均匀;随着地下水位的抬升,围岩压力分布出现从均匀到不均匀再到相对均匀的变化过程。
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