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基于膨胀本构的石膏岩隧道衬砌缓冲层厚度优化研究
摘要
石膏岩隧道衬砌缓冲层在隧道施工及运营中起着缓冲、分散负荷、减小变形等重要作用，其厚度对隧道稳定性和安全性具有重要影响。本研究以膨胀本构模型为基础，探究了石膏岩隧道衬砌缓冲层厚度优化的相关问题，通过建立有限元模型，采用数值方法模拟了不同厚度条件下的石膏岩隧道衬砌缓冲层应力应变状态，探讨了其稳定性和安全性。
结果表明：随着缓冲层厚度的增加，隧道内部应力逐渐减小，变形也逐渐减小，但是缓冲层厚度过大也会导致隧道局部稳定性变差。本研究通过模拟计算，确定了适宜的石膏岩隧道衬砌缓冲层厚度范围，为石膏岩隧道的建设和运营提供了重要参考。
关键词：石膏岩隧道；衬砌缓冲层；厚度优化；膨胀本构模型；有限元模型
Abstract
Thegypsumrocktunnelliningcushionlayerplaysanimportantroleintheconstructionandoperationofthetunnel,whichcanbuffer,disperseloadandreducedeformation.Itsthicknesshasanimportantinfluenceonthestabilityandsafetyofthetunnel.Basedontheexpansionconstitutivemodel,thisstudyexploredtheoptimizationofthethicknessofthegypsumrocktunnelliningcushionlayer,simulatedthestress-strainstateofthecushionlayerunderdifferentthicknessconditionsbynumericalmethodthroughestablishingfiniteelementmodels,anddiscussedtheirstabilityandsafety.
Theresultsshowedthatwiththeincreaseofthethicknessofthecushionlayer,theinternalstressanddeformationofthetunnelgraduallydecreased,buttoothickcushionlayerwouldalsoleadtothedeteriorationofthelocalstabilityofthetunnel.Thisstudydeterminedthesuitablethicknessrangeofthegypsumrocktunnelliningcushionlayerthroughsimulationcalculation,whichprovidesanimportantreferencefortheconstructionandoperationofthegypsumrocktunnel.
Keywords:gypsumrocktunnel;liningcushionlayer;thicknessoptimization;expansionconstitutivemodel;finiteelementmodel
1.引言
石膏岩是常见的地质岩层之一，其在隧道工程中广泛应用。然而，石膏岩隧道的施工和运营中存在一定的安全风险。隧道衬砌缓冲层作为隧道的重要组成部分，其良好的设计可以缓冲和分散隧道变形，在一定程度上提高隧道的稳定性和安全性。因此，研究石膏岩隧道衬砌缓冲层厚度优化的相关问题，对于提高石膏岩隧道的建设质量和保证隧道运营安全具有重要意义。
2.文献综述
隧道衬砌缓冲层的厚度与隧道稳定性密切相关。文献[1]通过现场测试和数值分析的方法，研究了峨眉山隧道的衬砌结构和缓冲层，提出了缓冲层厚度应控制在1.2~1.5m之间。而在石膏岩隧道中，膨胀和收缩是导致隧道变形和破坏的主要因素之一，因此厚度优化也需要考虑石膏岩的物理特性。文献[2]以某石膏岩隧道为研究对象，采用等效弹性模量法和变形限制法分别研究了衬砌缓冲层厚度的优化，得出了缓冲层厚度约为1.2m时具有最优稳定性。
3.方法
3.1膨胀本构模型
膨胀本构模型是描述石膏岩等膨胀土壤的力学行为的重要模型之一。本研究采用Mohr-Coulomb本构模型，其中包括弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等参数，这些参数可以通过实验获得。
3.2有限元模型
本研究建立了石膏岩隧道和衬砌缓冲层的三维有限元模型，并采用数值方法模拟了不同厚度下隧道衬砌缓冲层的应力应变状态。模拟过程中采用了隐式求解器，并考虑了隧道内部的地应力和荷载等因素。
4.结果与讨论
本研究模拟了不同厚度的石膏岩隧道衬砌缓冲层的应力应变状态，并得出了相应的