Localized Swelling-Induced Instability of Tunnel-Surrounding Rock: Experimental and FLAC3D Simulation Study

岩土工程 膨胀的 不稳定性 岩体分类 地质学 应力场 非线性系统 压力(语言学) 计算机模拟 变形(气象学) 剪切(地质) 领域(数学) 剪应力 联轴节(管道) 隧道施工 结构工程 机械 剪切带 大规模运输 孔隙水压力 工程类 热膨胀 热传导 剥落 应力路径 收缩率 水洞
作者
Ju-Bao Yang,Yang Chen,Pengfei Li,Chongbang Xu,Mingju Zhang
出处
期刊:Applied sciences [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:15 (20): 11101-11101 被引量:1
标识
DOI:10.3390/app152011101
摘要

Addressing the core issue of rock mass failure and deformation induced by local water-induced uneven expansion in expansive soft rock tunnels, this study systematically analyzes the stress–displacement response of the rock mass under various working conditions. This analysis integrates physical model testing with FLAC3D 6.0 numerical simulation and covers four typical expansion zone configurations (vault, spandrel, haunch, invert) as well as multiple stages of stress loading. Leveraging the mathematical analogy between heat conduction and fluid seepage and combining it with a thermo-hydraulic coupling approach, the FLAC3D temperature field module precisely simulates the moisture-induced stress field. This overcomes the limitations of traditional tools for direct moisture field simulation and enables quantitative assessment of how localized expansion impacts tunnel lining failure. The study reveals that horizontal expansion zones significantly increase the risk of shear failure in tunnel structures. Expansion zones at the tunnel crown and base (invert) pose critical challenges to overall safety and exhibit a pronounced nonlinear relationship between stress loading and displacement. This research deepens the theoretical understanding of the interaction between localized non-uniform expansion and the surrounding rock mass and provides crucial technical guidance for optimizing tunnel support systems and improving disaster monitoring and prevention measures.
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