【摘 要】
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近年来,随着我国交通运输业和基础设施建设的高速发展,大量隧道工程需要在高海拔、高寒地区修建,受冻融循环作用,隧道冻害问题日益严峻,特别是穿越富含地下水、孔隙发育的红砂岩地区的隧道,围岩在反复冻融下产生损伤,影响隧道稳定性。本文以徽州3#红砂岩隧道为依托工程,采用室内冻融试验、岩石常规三轴试验、SEM电镜扫描及数值模拟等方法,探究不同冻融条件和不同围压下红砂岩物理力学特性变化规律及隧道围岩稳定性受冻
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近年来,随着我国交通运输业和基础设施建设的高速发展,大量隧道工程需要在高海拔、高寒地区修建,受冻融循环作用,隧道冻害问题日益严峻,特别是穿越富含地下水、孔隙发育的红砂岩地区的隧道,围岩在反复冻融下产生损伤,影响隧道稳定性。本文以徽州3#红砂岩隧道为依托工程,采用室内冻融试验、岩石常规三轴试验、SEM电镜扫描及数值模拟等方法,探究不同冻融条件和不同围压下红砂岩物理力学特性变化规律及隧道围岩稳定性受冻融作用的影响,为寒区红砂岩隧道的冻害防治提供参考,主要结论如下:（1）冻融条件下红砂岩的物理特性及微观孔隙变化规律:①随着冻融次数增加,平均质量、纵波波速和导热系数等均减少;②由SEM扫描电镜图可知,随着冻融次数的增加,岩样内部出现交叉型微裂纹,裂纹数量增多,宽度和长度明显增加,裂纹扩展区域增大,断面棱角明显,出现边界清晰的块状断口,微裂隙损伤加剧。（2）冻融条件下红砂岩的表观劣化模式及三轴试验破坏模式分析:①反复冻融后,岩样表面裂纹从萌生到扩展,裂纹宽度逐渐增大,有矿物颗粒剥落,裂纹沿轴向有贯通趋势,表观劣化模式为裂纹模式;②三轴试验破坏模式:围压2、4MPa时为轴向张拉破坏,围压6MPa时为“X”型裂纹剪切破坏,围压8MPa时为斜剪破坏。（3）冻融条件下红砂岩的力学特性规律:①围压相同时,冻融次数增加,红砂岩的抗压强度、弹性模量降低,泊松比增大,内聚力和内摩擦角降低,红砂岩的抗剪能力降低;②冻融次数相同时,围压增大,红砂岩的抗压强度、弹性模量均增大,泊松比降低;围压从0MPa增加至2MPa时,各力学参数变化明显,随着围压增大,各力学参数的变化速率降低。（4）冻融条件下红砂岩隧道稳定性数值模拟结果:①总位移随冻融次数的增加而增大,经80次室内冻融试验后,拱顶累计沉降值为52.66mm,超出允许下沉量2.66mm,拱脚处的位移变化率大于其他监测点,隧道稳定性降低;②各监测点的水平和竖直方向应力随冻融次数的增加而增大,经80次室内冻融试验后,各监测点的水平应力最大值为0.506MPa,在V级围岩的允许支护力范围内;经60次室内冻融试验后,左、右拱脚处的竖直应力分别为1.33MPa、1.29MPa,分别超出允许支护力上限0.18MPa、0.14MPa,支护结构处于不稳定状态,应力集中现象明显;③隧道拱肩和拱脚处塑性区变化明显,冻融次数增加,塑性区扩展范围增大,经80次室内冻融试验后,塑性区最大深度与洞跨的比值为0.27,小于失稳临界值0.75,隧道未发生失稳破坏,但拱肩和拱脚处塑性区扩展迅速。综合以上三方面,经60次室内冻融试验后,隧道处于不稳定状态,为避免局部变形过大导致隧道失稳,需要控制围岩变形,提高拱顶和拱脚处支护强度。
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