黄土区浅埋隧道松动围岩压力计算方法及其应用研究

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在铁路和公路交通网建设的过程中,隧道由于兼具克服高程障碍、改善线型和保护环境等优点,常成为穿山越岭的重要选择,与此同时,黄土作为一种特殊土质,在我国有着非常广泛的分布,因此隧道工程建设的过程中不可避免地会穿越黄土地区,而隧道洞口段通常覆土深度较浅,开挖过程中不易出现平衡拱,所以常形成浅埋黄土隧道。然而,黄土由于其特有的大孔隙结构以及明显的垂直节理发育特征,使得浅埋黄土隧道围岩压力的计算有别于普通隧道。因此,本文以河南省渑栾高速公路可乐湾隧道为工程依托,通过室内试验、现场测试和理论分析相结合的方法,针对黄土特殊的结构性,着重对浅埋黄土隧道开挖过程中围岩的受力特征展开了研究。主要工作内容如下:(1)通过对可乐湾隧道黄土进行室内三轴试验与基本土性试验,获得了黄土的基本物理力学参数和应力比结构性参数。对不同围压、含水量下黄土的应力应变曲线和结构性参数曲线的分析结果表明:含水率的增大对土体的强度特性和结构性都表现出一定的削弱作用,围压的增大则表现出一定的增强作用。基于对试验黄土强度特性以及结构性的分析,提出了结构性发挥度的概念,通过对不同结构性发挥度情况下的黄土强度的变化规律进行分析,得出了黄土强度和结构性发挥度之间的新关系:认为粘聚力和结构发挥度之间呈正比例关系,而内摩擦角几乎不受结构性变化的影响。(2)通过对浅埋黄土隧道失稳时松动区土体的位移特征进行分析,提出了一种由6个角度控制的浅埋黄土隧道刚体平动破坏模式,结合结构性摩尔库伦准则和极限分析上限法推导了相应的围岩压力上限解,并利用MATLAB编制优化算法获得了围岩压力的最优上限解及与之相对应的破坏模式。在此基础上,分析了结构性发挥度、内摩擦角、侧压力系数、隧道埋深、隧道跨度和围岩重度等参数对浅埋黄土隧道围岩压力以及破坏形态的影响规律。结果表明:围岩压力数值随着内摩擦角、结构性发挥度和侧压力系数增大而减小,而随隧道埋深、隧道跨度和围岩重度的增大而增大;土体破坏形态随内摩擦角、结构性发挥度和侧压力系数的增大呈向内收缩的趋势,而随隧道埋深的增大呈向外扩张的趋势。(3)开展了黄土隧道浅埋区围岩压力的现场监测试验,通过对监测结果进行分析,获得了浅埋黄土隧道开挖过程中初期支护和围岩之间的接触压力的空间分布规律和时间分布规律。实测结果表明:围岩压力的空间分布并不均匀,部分测点表现出较为明显的偏压特征;围岩压力随时间的变化大致会经历快速增长、缓慢增长和趋于平稳三个阶段。最后,通过对比现场实测值、常用浅埋隧道围岩压力理论值和本文方法的计算结果,验证了本文方法的适用性。并总结了结构性发挥度取值的一般规律,即对于浅埋黄土隧道,结构性发挥度取值参考区间为0.4~0.5。
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