饱和-非饱和软岩/硬土变形破坏宏细观演化机制与隧洞安全性分析

The research aim of the project is the safety analysis and evaluation of tunnel’s wall rock of saturated and unsaturated soft rock/hard soil. Firstly, the micro failure mechanism of particle crushing in the saturated and especially the unsaturated condition and the law of macro deformation failure under its effect are investigated for soft rock/hard soil according to a series of hydraulic and unsaturated experiments with SEM scan and particle size analysis; secondly, based on the theory of continuous medium, the constitutive model and the method of numerical analysis could be established considering the effect of particle crushing on the evolution laws of yielding and failure for saturated and unsaturated soft rock/hard soil; lastly, safety and evaluation could be carried out on the typical water conveyance tunnel located in the layer of soft rock/hard soil encountered in the engineering project of safe drinking resources of Guyuan, Ningxia, and the constitutive model and the method of numerical analysis could be verified and improved by the in-situ data. The result of the research could provide important theory and technical support for the design and construction of the tunnel excavation in the soft rock/hard soil layer.

本项目以饱和-非饱和软岩/硬土隧洞围岩的安全性分析与评价为研究目标，首先通过一系列水力学和非饱和三轴实验并结合电镜扫描和颗粒粒径分析，获得软岩/硬土颗粒破碎饱和条件特别是在非饱和条件下的细观破坏机制，及其影响下的宏观变形破坏机理和规律；在此基础上，基于连续介质理论，建立考虑颗粒破碎对饱和-非饱和软岩/硬土屈服破坏演化规律影响的本构模型及相应的数值分析方法；最后结合提出的隧洞安全性评价指标，实现对宁夏固原饮水安全水源工程中位于典型软岩/硬土地层的输水隧洞在开挖和地下水影响下的安全性分析和评价，并利用实测变形数据验证和改进本项目提出的本构模型和数值分析方法。本项目的研究成果可为我国软岩/硬土隧洞开挖的设计和施工提供重要的理论和技术支持。

本项目软岩/硬土隧洞围岩的安全性分析与评价为研究目标，首先通过一系列宏观和细观力学试验，获得不同饱和度状态下的软岩/硬土细观特征，及宏观变形破坏机理和规律；在此基础上，建立考虑颗粒破碎对屈服破坏演化规律影响的本构模型及相应的数值分析方法；最后结合提出的隧洞安全性评价指标，实现对典型软岩/硬土地层的隧洞在开挖和地下水影响下的安全性分析和评价。依据申请书内容，经过系统的研究，总体达到了预期目标。取得了三项代表性成果：（1）系统揭示了非饱和条件下的软岩/硬土细观特征：根据滤纸法和压汞法的试验结果对比，探讨了不同初始孔隙比和颗粒粒径分布影响下的软岩硬土细观特性；（2）试验揭示了不同饱和度条件下的软岩硬土宏观破坏过程特征：进行了三轴条件下的常含水率试验，根据试验结果，揭示了颗粒破碎影响下的软岩/硬土宏观力学和体积变形破坏的机理；（3）建立了软岩/硬土非线性本构模型及数值分析方法：考虑高压力影响的塑性内变量，基于该内变量获得了强度参数及剪胀参数的变化规律，在已建立的本构模型基础上，在Flac3D软件中对软岩/硬土隧洞进行了全过程的开挖分析并进行了安全性评价。