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《长安大学》 2017年
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黄土地层浸水对地铁隧道结构受力性状的影响研究

张玉伟  
【摘要】:西安地铁某些区间穿越大厚度湿陷性黄土层,建设初期隧道周边地层不具备浸水湿陷条件,黄土层对隧道影响不显现,地铁建成后受客观因素影响,如强降雨裂隙下渗、附近河道渗水、地下水位改变、隧道开挖临空面汇水效应等,可能导致隧道周边地层含水率改变,从而引起其长期运营状态指标变化,造成隧道结构受力改变引发衬砌开裂、错台等各种病害,威胁运营安全。为研究黄土地层浸水对地铁隧道结构受力及变形的影响,首先从理论角度研究黄土浸水引起的微观孔隙、土水特征与渗透特性及本构关系等改变,进而采用模型试验和数值分析手段分析不同地层浸水工况对隧道结构宏观受力和变形的影响,提出地铁隧道湿陷性地基处治优化方法。主要成果如下:(1)基于黄土SEM和MIP试验,分析浸水前后和不同荷载等级下黄土微观孔隙演化规律,建立浸水增湿和外荷载作用下微观孔隙分布函数,研究黄土湿陷机理,定义非饱和黄土增湿变形过程分为三个阶段、四个状态,明确孔隙比、含水率、基质吸力、相对渗透系数间的变化关系,以含水率变化和外荷载变化作为湿陷的主要因素,结合Fredlund一维变形理论,建立非饱和黄土湿陷变形计算模型。(2)采用15bar压力膜仪开展原状黄土和不同孔隙比重塑黄土的土水特征试验,并与经典土水特征曲线模型结果对比拟合,结果表明孔隙变化对土水特征曲线影响明显,以浸水微观孔隙结构演化为基础,提出孔隙变形对孔隙分布函数的影响规律,引入V-G模型建立考虑孔隙变化的土水特征曲线模型,当不考虑孔隙变化影响时(e_i(28)e_0)退化为V-G模型,模型预测结果表明考虑孔隙变化的土水特征曲线更切合实际。(3)基于所建立考虑孔隙变形的土水特征曲线模型,并结合现有渗透系数间接计算方法,推导考虑孔隙变形影响的非饱和黄土渗透系数模型,并依据重塑黄土土水特征测试结果,预测不同孔隙比条件下渗透系数随吸力的变化规律,定义相对渗透系数,分析了孔隙变形对非饱和黄土渗透性的影响。(4)定义黄土分为非饱和状态、准饱和状态和全饱和状态,假定土中水渗流符合达西定律,水气转换符合能量守恒和质量守恒定律,基于所建立考虑孔隙变形的土水特征曲线模型,确定饱和度和吸力的变化关系,在热力学和多孔介质力学框架内,建立不饱和状态至饱和状态的系统控制方程,形成描述水力耦合作用下非饱和黄土饱和状态转换的数学模型。(5)在前述理论研究基础上,明确地层浸水对黄土力学性质的影响规律,依托实际工程,预判地铁隧道地层可能发生的浸水工况,以平面应变假定设计不同地层浸水工况的模型试验,系统研究黄土地层浸水湿陷对地铁隧道结构受力的影响规律,通过量测衬砌内外应变、土压力和位移,评价不同地层浸水工况对隧道影响的大小,建议隧道基底地基剩余湿陷量控制标准。(6)以地铁隧道盾构区间为研究对象,提出地表三轴搅拌桩处治湿陷地基的方案,分析处治深度、处治范围和桩间距等因素对处治效果的影响,以隧道基底全幅均匀浸水为例,取最不利工况,采用数值分析和模型试验手段分别研究三个影响因素对隧道结构受力和位移影响,提出优化参数分别为桩间距取2.1m、处治深度取6m、处治范围取隧道边墙外两侧各1m,在同等条件下,应遵循“宁长勿密”的原则,即宁可增加桩长加大处理深度,而不是减小桩间距增加桩体密度。地层浸水对水敏性黄土力学性质影响明显,黄土浸水力学性质改变对隧道结构受力性状产生不利作用,研究黄土浸水力学性质改变及对隧道结构受力性状的影响,并提出湿陷性地基的有效处治有段,可为黄土地区地铁隧道前期设计及后期运营提供依据。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U451;U231

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