基于非饱和土力学的湿陷性黄土隧道围岩变形、破坏研究

目前，我国黄土地区的高速铁路隧道修建遇到了一系列前所未有的水害问题，给隧道科研技术人员带来了严峻的挑战。隧道工程中常用的本构模型（MC模型、DP模型、剑桥模型等）无法解释湿陷性黄土隧道修建中遇水侵蚀、坍塌等问题，而由于非饱和土力学理论在解释土的湿陷性方面具有得天独厚的优势，本研究从非饱和土力学的角度出发对湿陷性黄土隧道围岩变形规律和破坏模式进行分析，主要包括：1)采用室内试验对黄土物理、力学特性进行测试，提出适合湿陷性黄土的加载湿陷屈服面方程和土水特征曲线方程；2)在室内试验基础上采用理论分析建立适合湿陷性黄土隧道的非饱和土本构模型；3)基于提出的本构模型采用数值模拟对湿陷性黄土隧道围岩变形规律、破坏模式进行研究，并结合室内模型试验和现场监测的结果对建立的本构模型进行验证、完善。本研究对推动我国黄土隧道围岩稳定性分析的科学化，以及非饱和土力学理论的发展具有重要的现实意义和理论价值。

项目研究以湿陷性黄土隧道围岩变形、破坏为核心，依托兰渝铁路典型黄土隧道工程，综合采用理论分析、数值模拟、室内试验、现场监测等多种研究手段对黄土隧道的力学特性进行系统研究，取得了以下成果：1）在黄土微观结构特性研究的基础上，研究饱和度和围压等对黄土屈服特性的影响，得到了典型黄土地层的加载湿陷屈服面方程和土水特征曲线方程；2）基于非饱和土本构模型，对黄土隧道围岩特性曲线、围岩纵向变形曲线进行研究；3）依托兰渝铁路典型高速铁路隧道工程，对大断面黄土隧道围岩变形，初支围岩间接触压力，初支二衬间接触压力等进行现场监测；4）考虑隧道工程中初期支护中钢架沿隧道轴向间距分布的特点，采用壳体力学的方法对含钢架的初期支护的力学特性进行系统研究，得到了考虑静水压力条件下的隧道含钢架的初期支护力学特性分析模型；5）采用高强钢筋浇筑格栅混凝土复合支护构件，通过室内加载试验对高强钢筋格栅混凝土构件的力学特性、隧道工程适用性和复合支护特性进行研究；6）针对大断面黄土隧道二次衬砌标准断面，分别建立钢筋混凝土二次衬砌及素混凝土二次衬砌模型，通过比较分析两种结构在不同条件地层中极限承载力、破坏过程，归纳总结出二次衬砌的承载机理以及结构配筋的适用性。研究期间发表论文12篇，其中6篇SCI，6篇EI；申请发明专利2项；培养博士1人，硕士两人。