寶天高速黑嶺隧道土、巖及接觸面力學特性分析

馮美娜

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

0 引言

寶天高速公路（陜西境）BT4合同段位于陜甘交界的秦嶺山區，地形相對高差較大，為中低山～低山區地貌特征。山區植被稀少，黑嶺隧道址高程介于629.70m～1035.46m之間，全線隧道最大埋深294.02m。隧道地質為典型的黃土覆蓋土、巖接觸復雜圍巖，為確保施工過程安全，提高施工質量，加快施工進度，項目現場成立研究小組，通過對土、巖及接觸面力學特性進行分析，提前選取合理的支護參數，既確保了隧道開挖的安全與進度，又降低了工程造價。

1 試驗研究方法

1.1 確定土的基本物理指標

根據中華人民共和國行業標準《土工試驗規程》（SL237-2001），對采取的土樣進行土的基本物理性質、滲透性及剪切強度試驗。所有試驗操作均按《土工試驗方法標準》GB/T50123—1999進行。

由試驗確定的土的物理性質見表1，黑嶺隧道采取黃土的天然含水量在19.22%～20.06%之間，砂巖的天然含水量在5.58%～8.01%之間；黃土的干重度在15.65 kN/m3～16.32 kN/m3之間,砂巖的干密度在20.64 kN/m3～24.08 kN/m3之間；黃土的液性指數均小于1，呈堅硬狀態，黃土的塑性指數在10.56～15.57，黃土屬于粉土或粉質粘土，砂巖呈全風化或強風化。

表1 土、巖接觸面上覆黃土及砂巖基本物理特性

土樣編號 液限(%) 塑限(%) 塑性指數 液性指數黑嶺-1 30.29 17.77 12.52 -0.21黑嶺-2 34.17 23.62 10.56 -0.37黑嶺-3 38.18 22.61 15.57 -0.37平均值 34.22 21.33 12.88 -0.31小值平均值 32.25 19.55 12.70 -0.26砂巖-1砂巖-2平均值

1.2 原狀黃土三軸試驗

黑嶺1號土樣的固結不排水三軸剪切應力—應變曲線，見圖1～圖4。隨著固結圍壓增大，土的抗剪強度在不斷增大；低圍壓時具有明顯的峰值強度，應力應變呈軟化型。黑嶺2號土樣的固結不排水三軸剪切應力—應變曲線，見圖5～圖8。低圍壓時具有明顯的峰值強度，應力應變呈軟化型；隨著圍壓的增大，土的抗剪強度也在不斷增大，但增長幅度較小。黑嶺3號土樣的固結不排水三軸剪切應力—應變曲線，見圖9～圖12。低圍壓時具有明顯的峰值強度，應力應變呈軟化型；隨著圍壓的增大，土的抗剪強度也在不斷增大，但在200 kPa～300 kPa圍壓作用下對應的抗剪強度增長幅度較小。同樣固結不排水三軸剪切應力—應變曲線，低圍壓時具有明顯的峰值強度，應力應變呈軟化型；隨著圍壓的增大，土的抗剪強度也在不斷增大，但在200 kPa～300 kPa圍壓作用下對應的抗剪強度增長幅度較小，固結不排水三軸剪切應力—應變曲線，固結圍壓在50 kPa、100 kPa、200 kPa時，應力應變曲線均呈軟化型，具有峰值強度。

圖1 50 kPa圍壓下應力應變曲線

圖2 100 kPa圍壓下應力應變曲線

圖3 200 kPa圍壓下應力應變曲線

圖4 300 kPa圍壓下應力應變曲線

圖5 50 kPa圍壓下應力應變曲線

圖6 100 kPa圍壓下應力應變曲線

圖7 200 kPa圍壓下應力應變曲線

圖8 300 kPa圍壓下應力應變曲線

圖9 50 kPa圍壓下應力應變曲線

圖10 100 kPa圍壓下應力應變曲線

圖11 200 kPa圍壓下應力應變曲線

圖12 300 kPa圍壓下應力應變曲線

綜合上述3組原狀土樣固結不排水三軸剪切試驗結果，研究表明：

1）土在小圍壓50 kPa～100 kPa下應力達到峰值后隨應變的增加而減小，土產生較為明顯的軟化現象；2）雖在200 kPa也有軟化現象產生，當固結壓力為300 kPa時，具有明顯的硬化現象；3）由于原狀土存在結構性，隨著較弱結構單元的變形破壞，較強結構單元的強度將逐漸發揮出來，應變硬化曲線或應變軟化曲線，抗剪應力的跳躍性增長表現在剪切過程中。

1.3 重塑飽和黃土的三軸剪切試驗

重塑黑嶺1號至黑嶺3號飽和黃土的應力—應變曲線（飽和固結不排水三軸試驗）：

依據飽和重塑土的應力應變曲線表明，重塑土的結構，把原狀土樣的天然結構破壞，以天然干密度為標準，制備配通過2 mm篩，盡管結構破壞后的土與原來的土體密實度一樣，可是原狀土原來的膠結結構已被破壞失去作用，粘接力消失，吸力作業消失，飽和重塑土的應力應變告訴我們，破壞后與原狀土的土體所表現出來的力學特性差異較大。

1.4 重塑砂土樣應力—應變曲線

天然黃土覆蓋層下伏的砂巖雖然密實度大但也難以采取原狀樣，主要原因是風化嚴重，易碎散。因此，全風化砂巖的變形特性參數在室內制備重塑樣來近似確定需采取擾動樣。用干密度為16.08 kN/m3制備砂樣，重塑砂土樣應力—應變曲線的測試結果見圖13～圖16。

圖13 50 kPa圍壓下應力應變曲線

圖14 100 kPa圍壓下應力應變曲線

圖15 200 kPa圍壓下應力應變曲線

圖16 300 kPa圍壓下應力應變曲線

2 抗剪強度分析

2.1 原狀土的抗剪強度

黑嶺4組土樣的強度包線見圖17～圖20，確定了相應的固結不排水強度指標。

圖17 黑嶺1號土強度包線

圖18 黑嶺2號土強度包線

圖19 黑嶺3號土的強度包線

圖20 黑嶺4號土的強度包線

表2 原狀土粘聚力c及內摩擦角φ

對同一開挖隧道的相同埋深部位盡管試樣采取，但土樣因基本物理性質的差別，變現出的力學性質不同；同時，使試樣在剪切破壞時有比較明顯的剪切破壞面是由于原狀土的結構性。試驗測定的數據內摩擦角最大值為：32.60，最小值為：18.30，小值平均值為：21.18。根據表2，除黑嶺5號樣之外，其余土樣的內摩擦角分別與小值均值接近。土的粘聚力最大值為：112 kPa，最小值為：40 kPa，小值均值為：55.7 kPa。根據表2所示和結構性力學特性分析，每個土樣的粘聚力相差較大。土粘聚力的變化與土樣內部本身的土結構及孔隙分布變化密切相關。

2.2 飽和重塑土的抗剪強度

將原狀土樣擾動后，將原狀土相同的干密度控制，采用壓樣法制備成重塑土樣，開始飽和，進行固結不排水三軸剪切試驗。根據破壞應變條件下的應力狀態繪制莫爾應力圓，確定強度包線及其相應的強度指標。

土的原狀土樣和強度參數有較大區別，根據飽和重塑土的固結不排水三軸試驗結果可知：粘聚力和內摩擦角的小值均值由高降低。與原狀土樣重塑結構破壞關系密切的主要是土強度指標的變化。土原狀結構被破壞后，制備成的重塑土土粒間的膠結連接被破壞，孔隙分布均勻，粒間吸力消失。

2.3 重塑砂土的抗剪強度

全風化砂巖擾動重塑后，控制干密度（16.08 kN/m3）制備砂樣的三軸剪切試驗，得到的莫爾應力圓及強度包線見圖21。重塑砂土的粘聚力為24 kPa，摩擦角為38°。由于砂土干容重較實際全風化砂巖的干容重（22.27 kN/m3）小得多，因此，實際全風化砂巖的強度指標，尤其是粘聚力較測試結果可能要大許多。

圖21 重塑砂土的抗剪強度包線

3 結論

寶天高速公路（陜西境）BT4合同段位于陜甘交界的秦嶺山區，地形相對高差較大，黑嶺隧道址高程介于629.70 m～1035.46 m之間，隧道地質為典型的黃土覆蓋土、巖接觸復雜圍巖。為確保施工過程安全，提高施工質量，加快施工進度，項目現場成立研究小組，采用黃土三軸試驗、重塑飽和黃土的三軸剪切試驗、重塑砂土樣應力—應變曲線測試，對土、巖及接觸面進行力學特性分析。從而得出，飽和重塑土較原狀土的粘聚力有較大程度的減小，摩擦角較接近，同時也說明原狀土結構性的喪失主要是其粘聚力的減小。從而通過對土、巖及接觸面力學特性進行分析，提前選取合理的支護參數，既確保了施工安全，又節約了材料，提高了效率。