胀缩性土质隧道围岩失稳机理与支护对策研究

胀缩性土具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形特性，对隧道工程造成极为严重的后果，是目前隧道穿越此类地质区域施工中的重大技术难题之一。本课题以揭示胀缩性土质隧道围岩失稳破坏机理，提出有效的支护措施为研究目标，综合采用室内试验、现场试验、理论分析与数值计算方法，依托典型胀缩性土质隧道建设工程，通过地质调研与现场试验，揭示了胀缩性土质隧道围岩致灾信息特征；采用室内力学试验方法，分析了线缩率与膨胀率的时程特性，研究了膨胀土浸水后吸水膨胀变形的规律；基于理论分析与数值计算方法，采用热-力耦合计算方法模拟胀缩性土膨胀变形过程，设置膨胀土地层线膨胀系数、比热容等参数，通过改变温度施加膨胀应力模拟降雨致使膨胀土隧道围岩变形过程，进而揭示了膨胀土隧道围岩在干湿循环作用下的变形和破坏过程，并与现场实验结果进行对比论证，验证力学模型的准确性，通过数值计算分析，评判隧道的稳定性；通过研发胀缩性土的相似材料，建立了能够有效模拟“日照”和“降雨”的地质力学模型试验装置，基于模型试验分析，揭示了干湿循环作用下膨胀土隧道围岩孕灾机理。综合以上研究成果，提出适用于胀缩性土、软弱土等隧道新型支护结构，为膨胀土质隧道灾害的预警与治理提理论基础。综上所述，本课题研究成果对认识胀缩性土质隧道围岩破坏机制，解决此类隧道围岩稳定性控制困难具有重要理论与实际意义。 2100433B

胀缩性土具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形特性，对隧道工程造成极为严重的后果，是目前隧道穿越此类地质区域施工中的重大技术难题之一。本项目以胀缩性土质隧道围岩变形规律研究为基础，以大量工程实践为依托，应用多种技术手段，系统地研究胀缩性土质隧道围岩灾变机理与支护对策。通过工程水文地质调研和现场围岩变形规律的研究，辨别其临灾地质前兆信息，提出灾害的发生条件与影响因素。通过考虑典型的干湿循环、胀缩率、应力加载条件、开挖工艺和支护结构型式等多种因素的正交组合，试验研究胀缩性围岩恶性变形规律、胀缩性破坏区特征及其产生条件与影响因素、支护结构破坏模式等，提成破裂区围岩的合理支护型式、支护参数和支护时机。建立胀缩性土质隧道围岩灾变模型，研究围岩失稳的非线性灾变特征，定义灾变判据，提出稳定控制方法。研究成果对认识胀缩性土质隧道围岩破坏机制，解决此类隧道围岩稳定性控制困难具有重要理论与实际意义。

黏粒成分主要由亲水性矿物组成具有显著胀缩性的黏性土，习惯称为膨胀土。膨胀土一般强度较高，压缩性低，易被误认为是建筑性能较好的地基土。当膨胀土成为建筑物地基时，如果对它的胀缩性缺乏认识，或在设计和施工中没有采取必要的措施，结果会给建筑物造成危害，尤其对低层轻型的房屋或构筑物及土工建筑物带来的危害更大。2100433B

土壤胀缩性只在塑性土壤中发现。这种土壤干时收缩，湿时膨胀，土壤膨胀是指黏质土壤在吸水时总容积增大的现象。土壤吸水膨胀时所产生的压力称为土壤膨胀压(soil swelling pressure)。土壤收缩(soil shrinkage)是指黏质土壤随含水量减少而总容积减小的现象。土壤收缩，分为结构收缩(structure shrinkage)、常态收缩(normal shrinkage)和剩余收缩(residual shrinkage)。结构收缩是指黏质土壤在含水量减少过程中，首先出现的土壤总容积减少低于失水容积减少的阶段，常态收缩是指黏质土壤在含水量减少的过程中，土壤总容积减少与失水容积减少相等的阶段；剩余收缩是指黏质土壤在含水量减少的过程中，土壤总容积减少大于失水容积减少的阶段。

土壤力学性质(又称机械物理性质)包括黏结性、黏着性、可塑性和胀缩性，以及其他受外力作用而发生变形的性质，这些性质又称为土壤结持性。土壤力学性质与土壤耕作中的诸多问题，如耕作难易、耕作质量、土壤压板等密切相关。土力学就是研究土壤力学特性的土壤学分支学科。