文摘

Wetting-drying交替波动引起的季节性降雨和水对岩体产生负面影响。本文模型实验调查的角色wetting-drying交替渗流和故障特性的隧道。含水结构位于隧道的横向位置。隧道之间的地层厚度和含水结构从20到100毫米不等。结果表明,与wetting-drying变更数量的增加,孔隙水压力逐渐增加。临界水压力也增加逐渐增加防水层厚度。与地层厚度的增加,透水面积逐渐扩大,水容量变得更强。防水失效模式的地层地应力和水的压力下可以概括为两种类型:骨折失败(20毫米厚度)和滑动(厚度40至100毫米),分别。

1。介绍

经济的蓬勃发展,重大工程建设的重点已经从平原到山区和岩溶地区极其复杂的地形和地质条件。深,长隧道工程风险很高在岩溶地区进行了。然而,一系列的特殊地质灾害像断裂的薄弱区,岩石破裂,突水是施工过程中遇到的1- - - - - -4]。岩溶隧道突水是一种最常见的和有害的地质灾害(5- - - - - -9]。据统计,突水等地质灾害引起突水占总数的77.3%在隧道工程重大事故中国21世纪的第一个十年(10,11]。

隧道之间的地层厚度和含水结构尤其对岩溶隧道的安全至关重要。徐et al。12]研究了岩石抗突水的最小安全厚度从充填型溶洞位于顶部,底部,和横向位置的隧道。基于Yuelongmen隧道成都到兰州铁路在中国,江et al。13)进行了一系列大规模的地质模型试验研究waterproof-resistant板厚度对围岩的影响突水灾害,建立了简化模型来模拟整个灾难过程。杨和张14)获得的最小厚度的表达岩石塞在岩溶隧道的上界定理结合变分原理。在该地区有明显的季节性降雨特征、含水的洞穴通常是与外部的连接打开通道。含水的洞穴中的水位上升在雨季和旱季。wetting-drying交替的影响下,细矿物颗粒和胶凝材料溶解在水和围岩中流出,由于水的压力,导致岩体的恶化。恶化的积累效应,突水的危险逐渐增加(15- - - - - -18]。

水环境是影响岩石性质的重要因素之一,因为它可以软化和分解岩石和土壤质量19- - - - - -21]。晶粒结构、胶结程度、矿物成分和裂纹扩展的岩体都将改变后接触到水,这将最终导致岩体的物理和机械性能的恶化(22- - - - - -24]。近年来,很多学者已经吸引了许多有价值的结论wetting-drying交替对岩体的影响。例如,Doostmohammadi et al。25]研究泥岩循环湿润和干燥的影响,他们发现越来越湿润和干燥周期可以减少所需的时间达到终极肿胀。范盖拉和Triantafyllidis26]研究了火山岩的膨胀行为从智利的安第斯山脉中部下循环湿润和干燥。他们的研究结果表明,膨胀潜力是湿润和干燥周期和影响这一现象只发生在润湿阶段。古代(27]研究熔结凝灰岩的物理和力学性能变化的影响下wetting-drying和冻融循环和化学成分的影响,发现颜色和循环周期在岩石的物理力学性质。王等人。28)检查的不可逆现象泥质岩石湿润和干燥过程中通过结合环境扫描电子显微镜(整体)成像和数字图像相关(DIC)技术。修改后的分离式霍普金森压杆(SHPB)技术被周等应用。29日]研究湿润和干燥周期的影响动态砂岩的抗压性能。结果表明,微裂隙的生成主要由湿润和干燥周期会导致减少的动态抗压强度。秦et al。30.]调查drying-wetting周期的影响改变了岩石的力学性能,发现单轴抗压强度和弹性模量逐渐降低drying-wetting周期数的增加。赵et al。31日)研究微孔隙的演化泥岩周期性wetting-drying条件下的低场核磁共振(NMR),建立了孔隙度的一个重要增量之间的线性关系和wetting-drying周期数。

Liupanshan隧道位于中国的宁夏回族自治区。隧道周围的岩体的主要含水层类型在第四纪松散的岩石孔隙和裂隙水和基岩裂隙水。此外,降雨分布不均,这取决于季节。例如,降雨在夏季和秋季相对较大,而降雨是相对较小的春天和冬天。因此,为了研究突水的特征和不稳定模式的隧道wetting-drying交替的影响下,大规模地质模型建立基于Liupanshan隧道的工程地质背景。渗层厚度的影响,围岩的破坏模式也进行了分析。

2。模型实验方法

2.1。测试材料和相似比

测试材料的选择根据相似理论。为了提高测试的准确性,河沙和滑石粉被选为聚合材料,石蜡为胶凝材料,液压油作为辅助材料。相似材料的制备和成型取决于热融化和石蜡的淬火冷却。在wetting-drying交替过程中,滑石粉和液压油会逐渐沉淀和分离,可以用来模拟围岩的粘土矿物的损失。类似的材料样本准备用这些材料是一种理性的混合比例。

根据正交试验原理,测试样本是设计和制造,其中包括 , ,和 。单轴抗压试验结果的基础上,巴西分裂和剪切测试,密度 ,孔隙度 ,单轴抗压强度 ,弹性模量 ,抗拉强度 ,凝聚力 ,和内部摩擦被测量。的测试方法是基于规范的规范工程岩石试验方法标准(GB / T 502666 - 2013)”(32]。相似材料的配比确定特定值的河沙,滑石,石蜡,和液压油,即。,23.0:3.5:1.5:1.0。根据岩石实验数据和类似的材料,表中列出的物理和力学性能1。此外,根据工程地质条件、几何相似比和大导热相似比在这个模型实验测定100和1.24,分别为(33,34]。

2.2。实验系统

为了研究突水的形成过程与不同厚度的防水层wetting-drying交替下,一套可视化测试系统对岩溶隧道突水灾害是独立开发的,如图1。系统主要由地应力加载装置,水压加载设备,数据采集系统和总体框架。实验总体框架是由无缝焊接钢板厚度为12毫米,和网络框架的大小 。5公分螺栓孔周围的框架保留连接筋板。配备一个透明的高强度玻璃面板框架和加强板之间的观察围岩的变形与破坏过程。此外,为了提供稳定的水压力的含水结构、水压力加载装置使用一组与伺服控制氮气瓶,提供压力水,气液组合的优势。含水结构制造使用PVC管的内径50毫米,厚度1.5毫米结合密封胶皮。

2.3。实验条件和生产过程

图2显示了传感器布置在隧道。隧道的高度和宽度是72毫米和110毫米,分别。地层厚度含水结构与隧道之间的范围从20到100毫米。渗透压力计,1 MPa的测量范围,被安排 离正确的含水结构的边界,并连接到数据采集系统通过一个固定的信号放大器。的方向渗透压力计与渗流方向是相同的。三个压力细胞分布在隧道如图2。这些细胞可以测量1 MPa压力最大,17岁,8毫米的直径和厚度,分别。压力水平细胞被安排收集围岩垂直应力。

类似的组件材料之前分别加权比例搅拌。为了实现均匀搅拌,滑石粉和河沙首先搅拌机混合均匀,同时搅拌器不断被加热的底部。液压油和石蜡融化被添加在搅拌机,搅拌好与先前的混合材料。

润滑油是刷的框架和内部加强板以减少摩擦。然后,搅拌好相似材料批量涌入试验台。类似的材料需要摇晃并夯实每10厘米厚。此外,含水结构、压力盒、渗透压力计,和其他传感器被埋,分别在一个预设时间表,一旦类似的材料铺设到指定的位置。把类似的材料后,模型保持48小时冷却凝固。地应力加载装置是安装在上部与指定的原位应力负荷模型的应用。隧道开挖后进行了6个小时的持续的原位应力。然后,安装位移传感器测量隧道的自上而下和两堵墙的方法。

水压力应用到模型通过计算相似度计算是基于现场试验数据。如图3,当wetting-drying交替数字 ,水首先从0增加到0.03 MPa的压力。水压加载和干燥时间约30和120分钟,分别。在这种干燥过程,存储结构中的水将继续流从隧道的围岩,它实际上是一个卸水压力的过程。因此,水压力在下次交替返回零,以模拟隧道围岩的wetting-drying交替过程。当 ,水压力从0增加到0.06 MPa,剩下的过程是相同的。在每个增量载荷循环也0.03 MPa,直到突水的形成。

3所示。结果分析

3.1。稳定的孔隙水压力

图4演示了孔隙水压力的变化在一个完整的围岩地层厚度时的水压加载和卸载过程是80毫米,wetting-drying交替号码是11。孔隙水压力的变化的整个过程可分为四个阶段:不断上升的阶段,稳定阶段,稳定阶段,下降阶段。在上升阶段,孔隙水压力急剧增加,这表明隧道的围岩对地下水位的增加很敏感。当孔隙水压力增加到大约40 kPa,隧道的围岩开始渗透水,但孔隙水压力仍然不稳定,波动约40 kPa。经过一段时间的调整,孔隙水压力达到稳定阶段。稳定和连续渗流发生隧道围岩表面。最后,在洞穴里水压力降低为零这个月底wetting-drying交替;孔隙水压力逐渐减少从之前的稳定值。相同的孔隙水压力的演化曲线也在其他wetting-drying交替展品。

在上升和不稳定渗流阶段,围岩的孔隙水压力测试在一定程度上受到水流的影响。因此,在这项研究中,孔隙水压力的平均值在稳定阶段计算的影响调查wetting-drying交替围岩的渗流特征。图5显示稳定的孔隙水压力的变化特征与隧道的围岩不同的地层厚度和不同wetting-drying交替数字。地层厚度固定时,稳定的孔隙水压力呈现逐渐增加的趋势的增量wetting-drying号码,和增加过程可分为两个阶段:缓慢的增加和快速增加。例如,当层厚度为80毫米,稳定的孔隙水压力增加从0.4到3.8 kPa在第一9 wetting-drying交替但很快增加到121.5 kPa在以下4 wetting-drying交替。孔隙水压力的变化趋势在岩体不同地层厚度是不同的。孔隙水压力响应迅速和明显的变化wetting-drying交替薄层厚度时( ,40毫米)。急剧增加的孔隙水压力后仅发生wetting-drying交替数量达到一定值时,地层厚度超过40毫米。此外,孔隙水压力随地层厚度的增加在同样wetting-drying交替,这可能由于传感器的滞后造成的地层厚度大。这种现象进一步表明,多孔介质的孔隙水压力随着渗流路径的增加往往会下降。

图6显示隧道的渗漏和失败过程当层厚度是40毫米。为 ,液体没有穿透整个地层厚度和隧道表面上没有液体溢出。为 ,左边墙的隧道开始渗透水。然后,渗流区逐渐扩大的增加wetting-drying变更数量和当前变得越来越明显。为 ,渗透延伸到整个左墙和宏观裂纹。为 ,保存裂纹生长和新生儿初裂缝产生的加载过程,和周围岩体继续分离,直到表面剥落推出和屈服于隧道水压力的影响。最后,承压水喷出来迅速从岩石屏障,和突水形成的现象。

3.2。围岩位移和应力

为了研究的进化特征隧道围岩表面位移在整个过程中,位移米是嵌在身体的测试模型。隧道变形可以相对位移特征的左边和右边的墙壁和顶部和底部表面的隧道。图7显示了不同的隧道变形稳定阶段随着wetting-drying变更数量的增加。周围的岩石地层厚度不同的屋顶和地板相互接近的增加wetting-drying交替数左边和右边的墙壁也是如此。总的来说,wetting-drying交替的影响下,隧道的围岩变形,整个隧道断面收敛状态。隧道的水平和垂直收敛略有变化,在一个小范围内波动之前完成突水但是急剧增加突水的后期阶段。水平和垂直的高峰值收敛的隧道发生突水的关键时刻。地层厚度越大,围岩的完整性和较小的两侧墙的水平趋同。发现的变化水平收敛比垂直收敛的响应速度和响应规模。在模型试验中,洞穴被安排在不同的位置在左边的隧道,洞中的水压力直接作用于左围岩,从而导致第一个左围岩的变形。屋顶和地板之间的垂直收敛之前突水主要来自屋顶的垂直位移和隆起变形的地板上。此外,屋顶失去的支持降低岩体的隧道开挖; the vertical displacement of the roof would occur due to the dead weight and the pressure of the upper rock mass.

图8显示了围岩垂直应力的变化与wetting-drying变更数量的增加。发现右侧墙的垂直应力;屋顶和地板上得到不同程度的增量的增加wetting-drying交替数字。垂直应力的增加趋势的右侧墙壁和屋顶是显而易见的。起初他们都慢慢地上升,然后达到一个临界值后迅速增加。然而,地板的垂直压力的增加滞后,增加程度一般是小于的屋顶。为 ,垂直应力的增加区段右边墙是29.51%,41.24%,44.27%,47.21%,和53.24%,分别。屋顶的垂直应力增加67.13%,85.67%,135.60%,158.04%,和158.43%,分别。更大的地层厚度和更多wetting-drying交替变化导致的相应增加透水面积,渗流速度,和渗透流量,进而导致恶化的围岩强度和孔隙度的增加。此外,隧道的屋顶和侧墙处于一个不稳定的状态,因为隧道开挖。这可以帮助解释为什么屋顶的垂直压力和右边墙数量wetting-drying交替上升。隧道开挖的屋顶使隧道岩体失去的支持功能低,自重的影响下,它是最不稳定的与其他岩体相比。有差异的敏感性和响应右边墙和屋顶渗漏和强度退化引起的周围wetting-drying交替。地板的垂直应力相对最敏感wetting-drying变更数量和地层厚度,它总是围绕着一个小值波动。因此,隧道开挖和wetting-drying交替没有显著影响地板的垂直压力。

3.3。隧道的故障特征

图9展品的隧道突水和失效模式不同的地层厚度。结果表明,地层厚度越大,越不明显之前发生的突水涌水过程。当 ,围岩的水涌出的似乎有一个“喷洒”形状。一般来说,在同样的wetting-drying交替数字,厚的防水地层,围岩的安全。虽然随着地层厚度的增加,围岩的水涌出的出现在“线性”形状伴随着围岩的失败。防水的矿物组成和细粘土颗粒层将分离出来wetting-drying交替的影响,导致孔隙度的不断增加和减少水存储容量。大部分的水突水存储在防水层之前,和水压力与水流逐渐下降。因此,隧道的涌水过程厚厚的防水层不明显,排水很小。

隧道的最终失效模式与不同的地层厚度在隧道的稳定性明显不同的影响下wetting-drying交替。为 ,破碎围岩的水从左边墙的中间部分。为 ,左边墙整体向右滑和岩体的失败发生在左边墙的屋顶和地板。与地层厚度的增加,更多的wetting-drying交替进行,围岩的强度会持续恶化。因此,整个围岩处于不稳定状态,最后被水压力伴随着严重的泥浆侵入。

防水层不同厚度,最终渗透区域显示不同突水后围岩特征。透水区域进行比较后显示在图9,发现透水区域地层厚度的增加而逐渐扩大。为 ,透水面积向下向上延伸大约140毫米和300毫米中心的含水结构。透水面积可以直观地反映地层的水存储容量。厚的防水地层遭受更多wetting-drying交替变化,孔隙水压力会持续增加,这可以帮助解释为什么水泄漏过程之前突水的厚层不明显。此外,根据最小能量原理,水总是沿着路径选择流最大的斜率。所以,洞穴的水流路径必须在隧道开挖的方向。

完成wetting-drying变更数量和实时水压力含水结构隧道突水发生时,分别定义为临界wetting-drying变更数量和临界水压力。图10显示变化的关键wetting-drying变更数量和临界水压力与地层厚度不同。发现两个关键wetting-drying变更数量和临界水压力与地层厚度成正比。为 ,突水发生后6 wetting-drying交替和临界水压力为0.18 MPa。为 ,突水发生后15 wetting-drying交替和临界水压力为0.45 MPa。

一般来说,地层的失效模式与不同厚度范围从20到100毫米下wetting-drying交替增加水压力可分为两种类型(裂缝和滑移失败)在这项研究中,如图11。地层厚度20毫米,不稳定特性提出了断裂失效。地层是在地应力和水压力下折断。地层厚度40到100 mm时,地层结束时被损坏和断裂,地层结构显示整体滑移。

4所示。结论

在这项研究中,基于Liupanshan隧道(中国)的工程背景,探索建立渗流物理模型测试和故障特征的岩溶隧道防水的不同厚度下地层wetting-drying交替。的一些结论如下:(1)两个关键wetting-drying变更数量和临界水压力与增加防水层厚度逐渐增加。此外,随着变更数量的增加,围岩的孔隙水压力逐渐增加,这显示了一个小波动的趋势,然后迅速增加(2)防水层的厚度越小,孔隙水压力的变化越明显。此外,防水层的厚度增加,透水面积逐渐扩大。水容量也变得更强(3)右侧的垂直压力墙,屋顶,地板上得到不同程度的增量的增加wetting-drying交替数字。顶板围岩的应力变化是最重要的,其次是正确的墙,和floor-surrounding摇滚是最小的。和隧道的水平和垂直收敛略有变化,在一个小范围内波动之前完成突水但是急剧增加突水的后期阶段

在实际的隧道项目,溶洞的位置和规模也对隧道的稳定性至关重要。此外,将进行更多的模型试验来研究整个变形场演化过程周围的围岩隧道的数字图像相关方法。

数据可用性

原始数据用来支持本研究的发现可以从相应的作者((电子邮件保护))要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(51704279和51704279号)和中国江苏省自然科学基金(没有。BK20170270)。