膨胀地层在我国分布较为广泛，尤其在西南、西北、东北、黄河中下游地区、长江中下游地区。当铁路隧道穿越膨胀土地层时，服役阶段时常出现仰拱与道床板结构开裂、脱空及上拱等病害，其中隧道基底脱空现象尤为突出，严重影响铁路运行安全。因此，研究膨胀土隧道基底脱空机制及脱空状态下仰拱结构劣化机理对于铁路长期运营安全及防灾减灾具有重要意义。以膨胀土隧道基底脱空及仰拱劣化病害为研究对象，采用室内宏观物理力学试验、细微观试验、大比尺模型试验、理论分析及数值模拟等多种手段，阐明了地下水、动荷载影响下膨胀土及隧道基底宏微观特性演化特性及动力响应规律，揭示了膨胀土隧道基底脱空机制及脱空状态下仰拱结构劣化机制。论文主要研究内容及创新如下：

（1）查明了膨胀土隧道基底脱空病害特征及主要影响因素。基于国内铁路服役阶段的基底脱空病害的典型案例，阐明了基底脱空病害的类型、特征、影响因素及成因。膨胀土隧道基底脱空病害具有普遍性、随机性、发育性及不可预见性等特征；明确了围岩工程特性、地下水、列车荷载是造成基底脱空的主要影响因素。

（2）通过室内试验，阐明了地下水与动荷载共同作用下膨胀土力学性能演化规律。基于不同含水状态下膨胀土膨胀特性试验结果，构建了膨胀土在含水率影响下的膨胀势释放函数；阐明了地下水增减湿条件下膨胀土质量损失及力学行为演化规律；基于增减湿次数、频率及幅值条件下的动三轴试验结果，得到了膨胀土动应变、动孔隙水压力、动应力–应变关系、动弹性模量及动阻尼等指标变化规律。

（3）揭示了地下水与动荷载共同作用下膨胀土力学性能劣化的微观机制。基于膨胀微细观室内试验，揭示了增减湿作用下膨胀土微观结构劣化机制，提出了增减湿下膨胀土中基质及凝块等溶解、孤立颗粒位置的转移、部分尖锐颗粒边缘的侵蚀、相邻孔隙的贯通及部分土体微结构的塌陷是造成膨胀土发生劣化的根本原因；动荷载促使膨胀土部分小孔隙联通成为大孔隙，处于高含水状态的膨胀土孔隙水压力激增，加剧土颗粒析出过程，揭示了地下水与列车荷载共同作用引起膨胀土劣化的微观机制。

（4）基于自主研发的能够模拟渗流及动力加载环境的模型试验系统，得到了地下水与动荷载共同作用下膨胀土隧道基底力学性能响应规律，揭示了地下水与动荷载共同作用下膨胀土隧道基底脱空机制。利用自主研发的模型试验装置，实现了地下水增减湿过程和动荷载加载过程隧道基底测量数据的长期动态监测，以地下水与动荷载共同作用为纽带，明确了地下水与动荷载共同作用下膨胀土隧道基底力学性能响应规律；建立了隧道水–力耦合模型，再现了地下水与动荷载共同作用下隧道基底力学性能响应过程，发现了在列车荷载作用下基底孔隙水压力状态存在由静态向动态发生转换的过程，从地下水–膨胀土作用引起膨胀土劣化机理、地下水–膨胀土–动荷载引起膨胀土劣化机理、地下水–膨胀土–动荷载引起隧道基底力学响应规律三方面系统阐明了地下水与动荷载共同作用引起膨胀土隧道基底脱空的机制。

（5）构建了基底脱空状态下可考虑地下水变化和动荷载的三维有限元模型，考虑列车、轨道结构、膨胀土、地下水相互作用，阐明了脱空状态下膨胀土隧道仰拱动力响应规律，揭示了基底脱空状态下膨胀土隧道仰拱结构劣化机理。建立了脱空状态下考虑列车–轨道结构–膨胀土隧道的三维动力模型，根据空洞长度、空洞范围等空洞形态指标，得到了不同脱空状态下膨胀土隧道仰拱动力响应规律；基于仰拱结构材料容许应力值作为结构劣化衡量标准，明确了脱空状态下仰拱结构劣化规律；考虑基底脱空及列车动载的互馈作用，借助数值模拟及现场监测的手段，揭示了基底脱空状态下膨胀土隧道仰拱结构劣化机理。

Expansive strata are widely distributed in China, especially in the southwest, northwest, northeast, middle and lower reaches of the Yellow River, and middle and lower reaches of the Yangtze River. When railway tunnels pass through expansive soil layers, there are often diseases such as cracks, voids, and upper arches in the inverted arch and track bed structure during the service stage. Among them, the phenomenon of void in the tunnel base is particularly prominent, seriously affecting the safety of railway operation. Therefore, studying the mechanism of void formation in the foundation of expansive soil tunnels and the degradation mechanism of the inverted arch structure under void formation is of great significance for the long-term operation safety and disaster prevention and reduction of railways. The study focuses on the detachment of the foundation of expansive soil tunnels and the deterioration of the inverted arch. Various methods, including indoor macroscopic physical and mechanical tests, microscopic tests, large-scale model tests, theoretical analysis, and numerical simulation, were used to elucidate the evolution characteristics and dynamic response laws of the macroscopic and microscopic characteristics of expansive soil and tunnel foundation under the influence of groundwater and dynamic loads. The mechanism of detachment of the foundation of expansive soil tunnels and the deterioration mechanism of the inverted arch structure under the detachment state were revealed. The main research content and innovations of the paper are as follows:

(1) The characteristics and main influencing factors of void damage in the foundation of expansive soil tunnels have been identified. Based on typical cases of foundation void diseases during the service stage of domestic railways, this paper elucidates the types, characteristics, influencing factors, and causes of foundation void diseases. The foundation void disease of expansive soil tunnels has characteristics of universality, randomness, developmental and unpredictability; It has been clarified that the engineering characteristics of surrounding rock, water content, and train load are the main influencing factors causing basement void.

(2) Through indoor experiments, the evolution law of mechanical properties of expansive soil under the combined action of groundwater and dynamic loads was elucidated. Based on the experimental results of the expansion characteristics of expansive soil under different water content states, the expansion potential release function of expansive soil under water content was constructed; Clarified the quality loss and mechanical behavior evolution law of expansive soil under the conditions of increasing and decreasing groundwater moisture; Based on the results of dynamic triaxial tests under the conditions of increasing and decreasing humidity, frequency, and amplitude, the variation patterns of dynamic strain, dynamic pore water pressure, dynamic stress-strain relationship, dynamic elastic modulus, and dynamic damping of expansive soil were obtained.

(3) Revealed the micro mechanism of the deterioration of mechanical properties of expansive soil under the combined action of groundwater and dynamic loads. Based on the indoor experiment of micro scale expansion, the mechanism of microstructure deterioration of expansive soil under the action of increasing and decreasing moisture was revealed. It was proposed that the fundamental reasons for the deterioration of expansive soil were the dissolution of matrix and agglomerates, the transfer of isolated particle positions, erosion of some sharp particle edges, penetration of adjacent pores, and collapse of some soil microstructures under the effect of increasing and decreasing moisture; The dynamic load promotes the connection of some small pores in expansive soil to become large pores, and the pore water pressure of expansive soil in a high water content state increases sharply, intensifying the process of soil particle precipitation, revealing the micro mechanism of deterioration of expansive soil caused by the combined effect of water content and dynamic load.

(4) Based on a self-developed model test system capable of simulating seepage and dynamic loading environments, the mechanical performance response law of the foundation of expansive soil tunnels under the combined action of groundwater and dynamic loads was obtained, revealing the mechanism of void formation of the foundation of expansive soil tunnels under the combined action of groundwater and dynamic loads. By using a self-developed model testing device, long-term dynamic monitoring of the measurement data of the tunnel foundation during the process of groundwater moisture increase and decrease and dynamic load loading was achieved. With the joint action of groundwater and dynamic load as the link, the mechanical performance response law of the expansive soil tunnel foundation under the joint action of groundwater and dynamic load was clarified; A tunnel water force coupling model was established to reproduce the mechanical performance response process of the tunnel foundation under the joint action of groundwater and dynamic loads. It was found that the pore water pressure state of the foundation changed from static to dynamic under the action of train loads. The mechanism of soil degradation caused by groundwater expansive soil action, soil degradation caused by groundwater expansive soil dynamic load, and soil mechanical response law caused by groundwater expansive soil dynamic load were systematically elucidated from three aspects: the mechanism of soil detachment caused by the joint action of groundwater and dynamic load in expansive soil tunnel foundation.

(5) A three-dimensional finite element model was constructed to consider the changes in groundwater and dynamic loads under the void state of the foundation. The interaction between trains, track structures, expansive soil, and groundwater was considered, and the dynamic response law of the inverted arch of the expansive soil tunnel under the void state was elucidated. The degradation mechanism of the inverted arch structure of the expansive soil tunnel under the void state of the foundation was revealed. A three-dimensional dynamic model considering train track structure expansive soil tunnel under void state was established. Based on void shape indicators such as void length and void range, the dynamic response law of the inverted arch of expansive soil tunnel under different void states was obtained; Based on the allowable stress value of the inverted arch structure material as the standard for measuring structural degradation, the degradation law of the inverted arch structure under void state is clarified; Taking into account the mutual feedback effect between base void and train dynamic load, the degradation mechanism of the inverted arch structure of expansive soil tunnels under base void state was revealed through numerical simulation and on-site monitoring.

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