黄土节理力学特性及对隧道洞口段稳定性影响的研究

Loess joints as the weak surfaces and passages of rainfall infiltration of loessial strata effect the stability of loess tunnel entrance section directly. The disasters of loess tunnel entrance can’t be analyzed and calculated correctly due to the limited research of loess joints. The project firstly carries out basic research of infiltration, strength and shear deformation of loess joints. The process of infiltrate could be revealed and the calculation model is built. The shear strength of loess joints and its quantitative relationship with water content are determined. The shear deformation of loess joints and its relationship with water content can be determined, and the shear constitutive model of loess joints is to be proposed. Moisture field of loess tunnel entrance section and methods of stability analysis simulating the impact of infiltration and joint development are studied. The relevant calculation software will be developed. Then deformation mechanisms of loess of tunnel entrance section with different types of joints and topography are studied, and the causes of disease developed are ascertained. Furthermore, early warning methods are proposed. The research results provide a scientific basis for the tunnel stability evaluation in loess area, can also provide theoretical support for the research work of jointed slope stability analysis.

黄土节理作为黄土体的薄弱面和降雨入渗的通道，直接影响黄土隧道洞口段的稳定性，目前对此尚缺乏研究，尚不能对降雨影响下含节理黄土隧道洞口段的灾害发生进行正确分析及预测。本项目首先就黄土节理的渗水、强度和变形问题进行基础性研究，揭示雨水沿黄土节理入渗湿化过程并建立计算模型，确定黄土节理抗剪强度及其与含水量的关系，确定黄土节理剪切变形规律及其与含水量的关系，建立黄土节理本构模型；进一步研究确定含节理隧道洞口段水分场与稳定性评价分析方法，并编制相应的计算软件。然后基于上述研究成果，考虑黄土地区典型地质条件、洞口段节理发育状况以及降雨条件等，对含节理黄土隧道洞口段稳定性进行分析，结合现场资料探明其变形规律及灾害发生机理，进而提出灾害预警方法。研究成果能为黄土地区的隧道洞口段稳定性评判提供科学依据，也可为含节理土坡稳定性分析等研究工作提供理论支持。

本项目以天然黄土节理为研究对象，通过研究其剪切及渗流等工程特性，进而分析含节理隧道洞口段的稳定性问题。通过试验研究、理论分析和数值计算相结合的手段，深入研究了黄土节理力学特性及其对隧道洞口段稳定性的影响。主要研究内容包括：1）黄土节理表面形态及其分级研究；2）黄土节理抗剪强度、剪切变形规律及本构模型；3）黄土节理水力参数试验研究；4）含节理土体降雨入渗湿化过程及入渗规律；5）含节理黄土隧道洞口段变形规律及灾害发生机理。.首先对黄土节理表面形态进行研究。通过测量节理表面形态，计算节理表面特征参数，根据统计结果及经验确定分级范围，最终得到天然黄土节理试样表面形态的综合特征参数RJ及分级结果。进而根据表面形态分级标准制制备试样，采用室内小型及大型直剪试验，研究含水量、尺寸效应对黄土节理剪切强度的影响，得到了黄土节理理剪切应力-位移关系曲线。黄土节理剪切应力-位移的关系曲线属于无峰值的应变硬化型曲线，并提出相应的本构模型。.黄土节理是水流入渗的优势通道，为获得黄土节理的水流入渗规律，首先通过室内GDS三轴渗透试验对黄土节理的水力参数进行研究，试验结果表明含节理试样的渗透系数远大于完整试样，节理的存在极大地增强了黄土体的渗流能力。为进一步得到含节理黄土水流入渗规律，利用自行设计加工的天然黄土节理渗流模拟试验装置进行模型试验，研究含节理土体降雨入渗湿化过程及入渗规律，主要关注水流入渗范围以及入渗量，得到节理及其开度对水流入渗范围、水分场分布的影响规律。.结合剪切试验强度指标变化规律以及渗流试验的水分场分布规律，利用FLAC3D数值分析软件，对含节理黄土隧道洞口段变形规律及灾害发生机理进行了研究，结果表明节理的存在使黄土隧道拱顶沉降增幅较大，节理位于拱脚部位时，拱顶沉降及塑性区分布面积较大，易使隧道发生灾害；隧道拱顶沉降随节理开度和水流入渗时间的增加而增加；较之偏压，节理及渗流的存在对埋深较浅的隧道影响较大；黄土隧道洞口段易发生大变形，隧道上方地表沉降后更易积水，使含节理黄土的水流入渗量增加，增大了隧道发生工程事故的可能性。