斜坡地形顺坡岩层隧道受力特征研究

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隧道建设过程中,地表的斜坡地形十分常见,并且由于岩石其本身的构造,倾斜的互层围岩在开挖过程中也时有出现,其与斜坡共同作用下造成的偏压荷载,会造成隧道受力的不均匀。在此类型地质中,加之水文等条件对于互层岩石的劣化作用,会极大地影响隧道的安全性。目前的研究多着重考虑斜坡地形顺坡岩层隧道地质条件中的一个参数,并较少同时考虑岩石含水率的影响。本文依托渝黔铁路五斗湾隧道工程,采用文献调研、三轴实验研究了围岩力学性能与饱和度系数的关系,并运用基于强度折减法的软件数值模拟,计算斜坡地形顺坡岩层隧道在多参数变化下的安全系数与结构内力,通过分析数据,得到以下结论:(1)基于文献调研与工程实际,得到影响斜坡地形顺坡岩层隧道受力特征的因素为斜坡岩层倾角、互层围岩层厚、岩石饱和度系数与隧道埋深。(2)通过三轴试验与文献参考,得到了岩石力学参数关于饱和度系数的劣化关系,其中泥岩作为水敏性围岩,其力学参数关于饱和度系数变化劣化明显,灰岩力学参数关于饱和度系数变化劣化现象不明显。最后通过数值模拟,证明了摩尔库伦本构的适用性。(3)引入强度折减法,根据斜坡地形顺坡岩层隧道的地质条件对于围岩失稳判据进行对比,选择耗散能增量突变作为围岩隧道整体失稳的判定依据,并证明所选判据在斜坡地形顺坡岩层隧道中的适用性,最后通过改变围岩应力释放率,研究得到衬砌支护时机对于隧道整体安全系数的影响较小。(4)基于强度折减法,通过改变岩层属性,研究得到在互层围岩中,安全系数由“弱”围岩控制,“强”围岩对于安全系数有提升作用。后续通过组合工况定性得到了4个参数对于安全系数的影响,并分析了极限状态下隧道的结构内力。一方面,对于安全系数:随着饱和度系数的上升,安全系数呈现非线性减小;随着倾角增加,其呈现一个由大到小再增大的过程,45°倾角为安全系数的极小点;埋深在10m~50m变化区间内与安全系数呈现负相关;层厚在0.5m~2m区间内,对于安全系数影响不明显。另一方面,对于结构内力,轴力、弯矩随着饱和度系数的上升而增加;随着倾角在0~60°的逆时针区间内变化,衬砌内力相比于水平对称地层隧道发生顺时针旋转,当倾角增至45°时,最大轴力点的位置发生变化,隧道破坏模式开始发生转变;埋深在30m~50m变化区间内,弯矩、轴力与埋深呈现正相关;互层围岩层厚在0.5m~2m变化区间内,对于内力大小影响小,但互层围岩与斜坡岩层倾角共同决定了衬砌破坏的位置。(5)基于强度折减法,运用正交试验设计,定量得到4个变量对于斜坡地形顺坡岩层隧道安全系数的影响大小:饱和度系数>埋深>斜坡岩层倾角>互层围岩厚度。
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