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黄土隧道地层浸水劣化机理及结构承载理论研究

批准号:
52078421
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
王立新
依托单位:
学科分类:
地下与隧道工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王立新

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
隧道工程尤其是城市隧道周边管线众多,人工水域修建频繁,由于管网渗漏、地表蓄水引起的地层局部浸水和地下水位抬升对湿陷性黄土隧道安全影响明显,加之黄土工程性状特殊性及相关理论不完善,使其存在较大安全隐患。目前对黄土隧道地层浸水劣化机理、浸水条件下结构承载理论及计算方法的科学认识尚不明确。本项目拟结合工程实例,在申请者已开展的黄土隧道系列研究基础上,采用以理论分析为基础,室内试验、物理模型试验、数值模拟、现场测试相结合的方法,借助CT数字全息动态显微技术、高精度微传感技术和局部离散耦合解算技术,进行浸水过程土体微观动态剖析、高精度监测物理模型试验、离散介质本构模型开发和局部离散数值计算,建立水流运移扩散与黄土湿陷性态模型,揭示黄土隧道地层湿陷演化机理及地层响应规律,提出适用于黄土隧道浸水工况下的结构承载理论及计算方法,并完善黄土隧道地基变形评价体系,提升我国黄土隧道建造理论水平及容灾能力。
英文摘要
There are many pipelines around the tunnel project, especially the urban tunnel project, and the artificial water area is built frequently, leakage of pipe network, local stratum flooding caused by surface water storage and rise of underground water have obvious influence on the safety of collapsible loess tunnels. In addition, the particularity of loess engineering properties and the imperfection of theoretical research make it have great potential safety problems. At present, the scientific understanding of the mechanism of water degradation in loess stratum, the theory of structural bearing capacity and the calculation method of tunnel under the condition of water immersion in loess stratum tunnel is not clear. Combining with the engineering example, this project plans to adopt the method of combining the indoor geotechnical test, physical model test, numerical simulation, field test and theoretical analysis, based on the applicant's series theoretical research of the loess tunnel. In the research process, CT digital holographic dynamic microscopy technology, high-precision micro-sensing technology and local discrete coupling calculation technology will be used to analyze the micro-dynamics of soil in the process of flooding, high-precision monitoring model test, discrete element constitutive model development and local discrete numerical calculation. The model of water flow migration and diffusion and loess collapsibility will be established, and the evolution mechanism and response law of strata in loess tunnel will be revealed. This project will put forward the theory and calculation method of structural load bearing applicable to the loess tunnel under the flood condition, and will improves the evaluation system of the deformation of loess tunnel foundation, so as to improve the theoretical level and disaster capacity of loess tunnel construction in China.
随着我国中西部地区城市隧道建设进程的加快,隧道穿越湿陷性黄土场地愈发频繁,当隧道修建过程中出现管网渗漏、地表蓄水引起的地层局部浸水和地下水位抬升时,黄土湿陷影响区隧道结构将受到一定的影响。目前对黄土隧道地层浸水劣化机制、结构破坏模式、以及破坏演化规律缺乏全面的认识。为此,本项目结合工程实例对浸水环境下黄土湿陷性态、隧道地层浸水劣化及隧道结构响应进行研究,以期为浸水环境下黄土隧道安全施工、维护运营提供理论支撑和参考。.(1)依托黄土侧限压缩和三轴压缩试验数据,开展邓肯—张、小应变硬化、修正莫尔—库伦的参数确定研究,采用三种相关性度量指标,对比分析三种本构模拟结果与三轴压缩试验数据的吻合性,揭示出修正莫尔—库伦对于黄土湿陷性模拟具有最佳效果。基于样本黄土三轴试验和侧限压缩试验统计数据,建立模拟力学参数和土体含水率的函数关系,给出湿陷性黄土饱和湿陷模拟参数。.(2)通过分析黄土隧道实际浸水特征及原位浸水试验数据,提出有限元采用双线法模拟进行黄土隧道浸水过程研究更加贴近工程实际。采用有限元双线法系统分析了地表均匀下渗和地层水位上升工况黄土隧道湿陷过程,揭示出以下主要规律:两种浸水工况下围岩—结构响应特征虽存在一定差异,但土层和结构沉降均随浸水深度和水位所到高度线性递增,随初始含水率递减。地表下渗工况:外土柱的沉降值明显大于内土柱,内外土柱差异沉降导致的土层拖拽效应明显且与隧道埋深正相关,埋深越大拖拽效应产生的拱部竖向压力和基底竖向压力越大。水位上升工况:水位抬升期,内土柱沉降值大于外土柱,外土柱的拖拽效应在拱脚附近产生了一个分界面,分界面以上拖拽力向下,分界面以下拖拽力向上;水位回落期,围岩—结构响应特征与地表下渗工况类似,但由于前期浮力的作用,拱部和基底竖向压力增加幅度小于地表水下渗工况。.(3)基于不同浸水方式下特征点沉降变形分析,进一步探究浸水湿陷前后地层应力变化,以及衬砌结构内力变化规律。地表浸水工况和管道漏水工况下,在水分扩散过程中,衬砌结构拱脚处特征点的应力值在湿陷前后大于高于原状场地的自重应力值,满足湿陷性黄土发生自重湿陷变形的条件;不均匀渗水工况下,黄土地层湿陷后,对隧洞产生的不利影响更大,其选取的特征点应力增量由大到小依次为:左拱脚>仰拱中心>右拱脚。
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