【摘 要】
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随着我国建设铁路、地铁和公路等基础设施进程的加快,作为我国分布广泛的膨胀土地质条件,修建很多隧道无法规避膨胀土地层。膨胀土是吸水体积膨胀且强度衰减,失水体积收缩且易产生裂隙的高塑性粘土。在增湿条件下,膨胀土的含水率增加,土体强度降低且产生膨胀,造成隧道围岩稳定性降低,极易导致支护结构可靠度降低和隧道变形过大,严重时,隧道产生失稳塌方。因此,在增湿条件下,研究膨胀土隧道的变形具有重要的工程实际意义。
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随着我国建设铁路、地铁和公路等基础设施进程的加快,作为我国分布广泛的膨胀土地质条件,修建很多隧道无法规避膨胀土地层。膨胀土是吸水体积膨胀且强度衰减,失水体积收缩且易产生裂隙的高塑性粘土。在增湿条件下,膨胀土的含水率增加,土体强度降低且产生膨胀,造成隧道围岩稳定性降低,极易导致支护结构可靠度降低和隧道变形过大,严重时,隧道产生失稳塌方。因此,在增湿条件下,研究膨胀土隧道的变形具有重要的工程实际意义。本文主要考虑膨胀土在增湿之后的膨胀特性和强度衰减特性,结合膨胀土室内试验,依据流固耦合理论,通过ABAQUS软件建立计算模型的方法,对合肥地区的膨胀土隧道进行研究。具体的研究内容和结论如下:(1)从施工现场取得土样进行一系列室内试验,明确了研究区域膨胀土的基本性质,包括了基本物理性质、胀缩性指标和力学指标。通过不同含水率下的直剪试验测出膨胀土强度随含水率的变化规律,并建立数学经验公式。用滤纸法对合肥地区的膨胀土进行不同含水率下的基质吸力测定,为数值模拟提供所需数据。(2)基于流固耦合理论,采用ABAQUS的渗流模块模拟膨胀土的非饱和渗流,得到土体的湿度-应力场,并验证了其正确性。结合土体的湿度场和ABAQUS的温度场模块以及编写Python子程序,可实现膨胀土的增湿膨胀和强度衰减。(3)采用上述方法,以合肥市某双向膨胀土隧道为背景建立计算模型。考虑降雨入渗、隧道周边含水率增加和地下水位上升这三种增湿情况,针对不同的增湿条件设置不同的工况,较全面地分析了各内外因素对不同增湿条件下膨胀土隧道围岩的变形和支护结构受力特征的影响。主要结论如下:(1)在降雨入渗条件下,隧道围岩最终由竖向挤压变形转为水平挤压变形;考虑开挖扰动之后,对支护结构的受力影响非常大,且随着扰动程度的增加,支护的最大弯矩显著增大。(2)隧道周边含水率增加时,围岩位移整体增加,同时支护结构拱顶位置的受力特性发生改变。(3)地下水位上升时,水位的初始高度对支护结构的边墙处弯矩影响较大。随着水位上升的越高,支护结构的弯矩越大。(4)以合肥市地铁某标段为工程背景,结合上述膨胀土增湿模拟方法,分析膨胀土隧道开挖对邻近建筑物的影响。结果表明:若考虑隧道围岩增湿,将导致邻近建筑物变形显著增大,在仰拱处施作锚杆可以大幅减小邻近建筑物的变形。
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