昔格達(dá)粘土巖彈塑性損傷本構(gòu)模型及隧道工程應(yīng)用研究.pdf

1、昔格達(dá)組地層是我國西南地區(qū)特有的一種河湖相沉積半成巖，其工程地質(zhì)情況較差。該地層多為（砂質(zhì)）粘土巖與粉細(xì)砂巖或泥質(zhì)粉砂巖互層，天然少水情況下承載能力尚可，遇水即易泥化崩解，圍巖強(qiáng)度明顯降低，較難自穩(wěn)。隨著十三五規(guī)劃的逐步實施，在該地層中修建大斷面交通隧道工程也逐漸增多，國內(nèi)對昔格達(dá)組地層的圍巖相關(guān)研究也剛剛起步，如何研究好圍巖變形問題是解決昔格達(dá)組地層隧道安全掘進(jìn)的重要前提。除現(xiàn)場試驗外，數(shù)值模擬也是一種能有效解決巖土問題的手段，且因其

2、使用方便、模擬條件多樣可控而受到廣泛推廣。進(jìn)一步地講，本構(gòu)模型的選擇是巖土問題模擬研究的重要一環(huán)。一個合適的本構(gòu)模型能讓數(shù)值模擬分析更接近于真實情況，從而達(dá)到事半功倍的效果。因此，本文以成昆鐵路復(fù)線多座穿越昔格達(dá)組地層的隧道為工程依托，采用文獻(xiàn)調(diào)研、現(xiàn)場試驗與取樣、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)、計算機(jī)編程等手段，對昔格達(dá)土的工程特性和粘土巖的結(jié)構(gòu)性進(jìn)行分析，進(jìn)而對適用于昔格達(dá)粘土巖的本構(gòu)模型展開研究，并得到了以下主要研究結(jié)論和成果。

3、r>　　(1)通過大量資料調(diào)研，歸納出昔格達(dá)組地層巖土具有以下特征:天然含水率不高，密度較一般巖石小，孔隙比較大，壓縮性中等，天然抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較高、但浸水后降幅明顯，粘土巖以親水的伊利石、綠泥石為主，為弱透水介質(zhì)。昔格達(dá)粘土巖的礦物成分、沉積過程和時間效應(yīng)分析表明其結(jié)構(gòu)性較強(qiáng);通過原狀土、重塑土的固結(jié)試驗和三軸試驗分析了其壓縮曲線、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線和超靜孔壓變化的不同，說明了天然昔格達(dá)粘土巖具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性。
　　(2)通過

4、重塑土三軸試驗研究表明，昔格達(dá)粘土巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與諸多因素有關(guān)。圍壓對偏應(yīng)力峰值影響很大，且呈正相關(guān);含水率與偏應(yīng)力峰值呈負(fù)相關(guān);而在其他條件相同時，干密度增加、排水剪切和降低剪切速率都會使偏應(yīng)力峰值增大;不同應(yīng)力路徑中，常規(guī)三軸試驗對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值最大。
　　(3)通過模擬三軸試驗表明修正劍橋模型計算出的試樣側(cè)向變形和超靜孔壓變化規(guī)律比M-C模型、D-P模型更符合昔格達(dá)粘土巖室內(nèi)三軸試驗結(jié)果;通過模擬堆載預(yù)壓也表明修正劍橋模型在

5、計算地基沉降、水平位移和超靜孔壓變化規(guī)律方面比另兩種模型更適合。數(shù)值模擬結(jié)果還表明ABAQUS修正劍橋模型的8個參數(shù)中敏感度較高的是初始孔隙比、臨界狀態(tài)線斜率、泊松比、各向等壓壓縮曲線斜率和回彈曲線斜率。
　　(4)利用損傷力學(xué)和修正劍橋模型屈服破壞準(zhǔn)則，根據(jù)沈珠江提出的巖土損傷理論建立損傷變量函數(shù)，進(jìn)而推導(dǎo)了昔格達(dá)粘土巖應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的彈塑性損傷矩陣。該本構(gòu)關(guān)系中需要確定9個模型參數(shù)，對應(yīng)了12個試驗參數(shù);給出了本構(gòu)模型在ABAQ