脹縮性土質(zhì)隧道圍巖失穩(wěn)機理與支護對策研究

脹縮性土具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形特性，對隧道工程造成極為嚴重的后果，是目前隧道穿越此類地質(zhì)區(qū)域施工中的重大技術(shù)難題之一。本課題以揭示脹縮性土質(zhì)隧道圍巖失穩(wěn)破壞機理，提出有效的支護措施為研究目標，綜合采用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗、理論分析與數(shù)值計算方法，依托典型脹縮性土質(zhì)隧道建設(shè)工程，通過地質(zhì)調(diào)研與現(xiàn)場試驗，揭示了脹縮性土質(zhì)隧道圍巖致災(zāi)信息特征；采用室內(nèi)力學試驗方法，分析了線縮率與膨脹率的時程特性，研究了膨脹土浸水后吸水膨脹變形的規(guī)律；基于理論分析與數(shù)值計算方法，采用熱-力耦合計算方法模擬脹縮性土膨脹變形過程，設(shè)置膨脹土地層線膨脹系數(shù)、比熱容等參數(shù)，通過改變溫度施加膨脹應(yīng)力模擬降雨致使膨脹土隧道圍巖變形過程，進而揭示了膨脹土隧道圍巖在干濕循環(huán)作用下的變形和破壞過程，并與現(xiàn)場實驗結(jié)果進行對比論證，驗證力學模型的準確性，通過數(shù)值計算分析，評判隧道的穩(wěn)定性；通過研發(fā)脹縮性土的相似材料，建立了能夠有效模擬“日照”和“降雨”的地質(zhì)力學模型試驗裝置，基于模型試驗分析，揭示了干濕循環(huán)作用下膨脹土隧道圍巖孕災(zāi)機理。綜合以上研究成果，提出適用于脹縮性土、軟弱土等隧道新型支護結(jié)構(gòu)，為膨脹土質(zhì)隧道災(zāi)害的預(yù)警與治理提理論基礎(chǔ)。綜上所述，本課題研究成果對認識脹縮性土質(zhì)隧道圍巖破壞機制，解決此類隧道圍巖穩(wěn)定性控制困難具有重要理論與實際意義。 2100433B

脹縮性土具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形特性，對隧道工程造成極為嚴重的后果，是目前隧道穿越此類地質(zhì)區(qū)域施工中的重大技術(shù)難題之一。本項目以脹縮性土質(zhì)隧道圍巖變形規(guī)律研究為基礎(chǔ)，以大量工程實踐為依托，應(yīng)用多種技術(shù)手段，系統(tǒng)地研究脹縮性土質(zhì)隧道圍巖災(zāi)變機理與支護對策。通過工程水文地質(zhì)調(diào)研和現(xiàn)場圍巖變形規(guī)律的研究，辨別其臨災(zāi)地質(zhì)前兆信息，提出災(zāi)害的發(fā)生條件與影響因素。通過考慮典型的干濕循環(huán)、脹縮率、應(yīng)力加載條件、開挖工藝和支護結(jié)構(gòu)型式等多種因素的正交組合，試驗研究脹縮性圍巖惡性變形規(guī)律、脹縮性破壞區(qū)特征及其產(chǎn)生條件與影響因素、支護結(jié)構(gòu)破壞模式等，提成破裂區(qū)圍巖的合理支護型式、支護參數(shù)和支護時機。建立脹縮性土質(zhì)隧道圍巖災(zāi)變模型，研究圍巖失穩(wěn)的非線性災(zāi)變特征，定義災(zāi)變判據(jù)，提出穩(wěn)定控制方法。研究成果對認識脹縮性土質(zhì)隧道圍巖破壞機制，解決此類隧道圍巖穩(wěn)定性控制困難具有重要理論與實際意義。

黏粒成分主要由親水性礦物組成具有顯著脹縮性的黏性土，習慣稱為膨脹土。膨脹土一般強度較高，壓縮性低，易被誤認為是建筑性能較好的地基土。當膨脹土成為建筑物地基時，如果對它的脹縮性缺乏認識，或在設(shè)計和施工中沒有采取必要的措施，結(jié)果會給建筑物造成危害，尤其對低層輕型的房屋或構(gòu)筑物及土工建筑物帶來的危害更大。2100433B

土壤脹縮性只在塑性土壤中發(fā)現(xiàn)。這種土壤干時收縮，濕時膨脹，土壤膨脹是指黏質(zhì)土壤在吸水時總?cè)莘e增大的現(xiàn)象。土壤吸水膨脹時所產(chǎn)生的壓力稱為土壤膨脹壓(soil swelling pressure)。土壤收縮(soil shrinkage)是指黏質(zhì)土壤隨含水量減少而總?cè)莘e減小的現(xiàn)象。土壤收縮，分為結(jié)構(gòu)收縮(structure shrinkage)、常態(tài)收縮(normal shrinkage)和剩余收縮(residual shrinkage)。結(jié)構(gòu)收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少過程中，首先出現(xiàn)的土壤總?cè)莘e減少低于失水容積減少的階段，常態(tài)收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少的過程中，土壤總?cè)莘e減少與失水容積減少相等的階段；剩余收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少的過程中，土壤總?cè)莘e減少大于失水容積減少的階段。

土壤力學性質(zhì)(又稱機械物理性質(zhì))包括黏結(jié)性、黏著性、可塑性和脹縮性，以及其他受外力作用而發(fā)生變形的性質(zhì)，這些性質(zhì)又稱為土壤結(jié)持性。土壤力學性質(zhì)與土壤耕作中的諸多問題，如耕作難易、耕作質(zhì)量、土壤壓板等密切相關(guān)。土力學就是研究土壤力學特性的土壤學分支學科。