南宁膨胀岩与地铁盾构管片相互作用研究

【摘要】南宁市轨道交通工程较多路段将穿越膨胀岩区域,该区域主要为第三系膨胀性泥岩,其成岩时间短,胶结程度差,具有显著吸水膨胀和失水收缩的特性。膨胀岩的胀缩性将对盾构管片内力和变形产生影响,膨胀岩与盾构管片的相互作用研究是一个全新的工程难题,值得深入研究。本文以南宁轨道交通一号线穿越膨胀岩区域为靶区,通过资料收集及综合分析,采用室内试验、数值计算及大型物理模型试验等综合研究方法,开展了膨胀岩与地铁隧道结构相互作用研究。通过现场调研和资料整理,剖析了南宁第三系泥岩的工程特性,揭示了南宁第三系膨胀泥岩的分布及构造特殊性,并对其物理指标、力学指标及膨胀特性指标进行了分析研究。基于区域工程地质条件、隧道上覆土层特征、水文地质条件等因素,对南宁轨道交通一号线膨胀岩区段进行岩层组合特性研究,提出了岩层组合模型。通过机理试验,研究了膨胀变形的时程特性和膨胀力影响因素及其关系。提出了综合考虑干密度和初始含水率双因素对膨胀力影响,获得膨胀力与干密度、初始含水率之间关系：P(ω,ρd)=-265.012pd+21.453ω+34.583e(2.3ρd-0.1ω)-142.294并开展微变形条件下膨胀力试验研究,提出了膨胀力随着微变形变化的规律,即微变形膨胀力与对应的零变形膨胀力之比随变形率增大而呈指数变小,得到膨胀力比值与微变形率关系式为：P/P0(ε)=C·eD·ε其中C,D为拟合常数。在此基础上,针对代表性岩层组合模型采用荷载-结构法,并考虑膨胀岩层施加范围对盾构管片的影响,研究不同情况下膨胀力对盾构管片内力及位移变形规律。研究表明：盾构管片受力最不利岩层组合模型是底部为膨胀岩,上部为非膨胀岩层的第Ⅲ类岩层组合；并研究得出了管片弯矩和变形随着底部膨胀围岩厚度的变化规律,即弯矩和变形随着盾构管片底部与膨胀围岩接触厚度夹角θ的增大呈现先增大后减小的趋势,其中最大正弯矩在θ=45°时出现,最大负弯矩和最大变形出现在0=30°。考虑膨胀力随着接触变形而衰减的修正模型进行数值计算,改进后计算模型能够更准确反映膨胀力对管片的内力和变形影响规律,考虑膨胀力折减后其内力和变形值均有所减小结合计算分析结果,构建膨胀岩围岩与盾构管片大型模型试验,分别围岩介质中埋设湿度传感器、土压力盒,在管片结构中埋设应变计和百分表,通过改变重塑膨胀性围岩的含水率以模拟膨胀力施加,实测盾构管片和围岩的内力、变形情况,研究盾构管片结构受力、变形规律,实测数据与数值模拟结果相吻合。基于南宁第三系膨胀性泥岩特殊和复杂的工程特性,在数值和物理模型研究基础上,解决了该区盾构设计中如何考虑膨胀围岩影响的难题,给出了在膨胀围岩下盾构管片的膨胀力施加范围以及膨胀力施加方式,优化了设计计算模型,可以更准确地反映盾构管片的实际受力情况。该成果可为南宁市涉膨胀岩区段地铁建设提供理论指导,也为国内外类似膨胀岩区域的地铁建设提供借鉴。
【作者】唐迎春；
【导师】欧孝夺；
【作者基本信息】广西大学，结构工程，2013，博士
【关键词】膨胀岩；南宁地铁；盾构管片；膨胀力；膨胀变形；数值模拟；模型试验；

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