淺埋膨脹土隧道圍巖抗剪強度與支護結構受力特征關系

沈 杰 柳州鐵道職業技術學院

李 杰 廣西科技大學

1 前言

為了不斷完善我國的交通網絡，各類交通工程建設得到了快速發展，其中需要穿越不良地質區域的隧道工程建設數量也在逐漸增加，而在隧道工程建設中，由于受地質條件的影響，容易遇到淺埋膨脹土隧道。膨脹土應對溫熱變化較為敏感，具有吸水膨脹、失水收縮的特性，隧道建設中容易出現圍巖變形問題，支護結構受到破壞，進而發生安全事故，對工程建設產生不利的影響。關于膨脹土的作用原理以及工程特性具有較大的復雜性，在膨脹土圍巖隧道的建設中存在較大的難度。近年來，關于膨脹土抗剪強度特性和支護結構受力關系的研究得到了廣泛關注，通過掌握這一關系，在隧道工程建設時才能更好地保證安全性。

2 膨脹土抗剪強度的特殊性

土的抗剪強度主要是指土體能夠抵抗剪切破壞的極限能力，而針對膨脹土來說，由于存在裂隙的影響，主要包含土塊的抗剪強度和土體的抗剪強度。在室內進行土工試驗依照普通粘性土一般方法確定的抗剪強度指的是特定條件下土的抗剪強度，接近土塊的抗剪強度。在進行工程建設中，關于土坡穩定性、土壓力、地基承載力等進行計算時的抗剪強度是土體的抗剪強度。關于膨脹土的土體強度和土塊強度之間存在一定的差異性，由于土中存在裂隙以及膨脹土自身親水性特性，使得膨脹土的強度問題變得愈加復雜化。膨脹土容易軟化，對于大氣影響深度范圍內的土層，含水量會發生變化，因而膨脹土的強度也會改變，所以膨脹土的抗剪強度為動態表現。在進行工程建設時，現場的地質條件可能會發生變化，因而使土層的含水量發生改變，膨脹土的強度會受到怎樣的影響，需要進行試驗研究。

3 含水量不同情況下的膨脹土抗剪強度試驗

非飽和土的抗剪強度主要影響因素為含水量和干密度，在淺埋隧道的土體中，具有較小的密實度變化，所以，膨脹土的抗剪強度主要影響因素是外部水環境。根據實際的隧道工程建設，在室內環境下配制和工程現場原狀土具有一樣干密度的膨脹土試樣，使用直剪試驗方法，對含水量不同情況下的膨脹土抗剪強度變化進行分析，以明確含水量和摩擦角、粘聚力之間的聯系，進而為后續的研究提供有效的數據參考。

3.1 制作土樣

準備好直剪試驗的裝置，然后在開始進行試驗前先制作土樣，干密度為ρd=1.4g/cm3，其中含水量分別為9.87%、15.18%、20.24%、24.76%、30.21%，制作完土樣后，使用保鮮膜進行包裹，以避免土樣中水分蒸發。接著對每組土樣施加豎向荷載，分別為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，使土樣受到剪切破壞。

3.2 試驗結果

在完成試驗后，對得到的相關數據進行整理匯總，如表1所示。

表1 直剪試驗結果

根據試驗的結果，將初始含水量不同情況下抗剪強度和荷載之間的關系曲線繪制如圖1所示。

圖1 含水量不同條件下抗剪強度和荷載關系圖

根據曲線關系進行擬合，確定一般的擬合方程為：

其中τ表示抗剪強度，c表示粘聚力，φ表示摩擦角。

得到含水量不同條件下抗剪強度和荷載之間的關系曲線，然后將含水量不同條件下兩者之間關系擬合方程系數c和φ確定出來，初始含水量和c、φ之間的關系如表2所示。

結合表2中的數據進行擬合，能夠得到含水量和粘聚力、摩擦角之間的關系曲線，關系擬合方程如下：

表2 初始含水量和擬合系數c、φ之間的關系表

通過分析含水量和摩擦角、粘聚力之間的關系，可以知道，在室內進行膨脹土試樣試驗，膨脹土的抗剪強度摩擦角和粘聚力指標受含水量變化的影響較大，呈現負相關聯系。摩擦角和初始含水量之間呈現線性遞減關系，粘聚力和含水量之間呈現二次拋物線遞減關系。普通的粘性土由于具有較小的摩擦角，因此土體的抗剪強度主要受粘聚力影響，由此可以得出，膨脹土的抗剪強度和初始含水量之間存在二次拋物線遞減的關系。

4 膨脹土隧道支護結構受力特征有限元模擬

以實際的隧道工程為例，在試驗的基礎上得到膨脹土物理力學參數，然后依據膨脹土的特征曲線，建立模型。使用ABAQUS有限元軟件數值模擬滲流膨脹過程，然后根據模型分析在隧道圍巖吸水膨脹下，圍巖變形和支護結構受力變化的特征。

4.1 有限元模型

對隧道開挖過程進行模擬主要使用三臺階環形開挖留核心土法，其中埋深主要設置12m和2m。建立的三維模型邊界確定為：在水平方向上，隧道中心線到兩邊的距離為40m，隧道底部到下邊界的距離為15m，隧道豎向的長度為30m，隧道拱頂到上邊界的距離為12m和20m，隧道開挖的高度設置為13.5m，跨度最大15.2m。在對圍巖進行初始支護時，主要使用28cm厚的C25噴射混凝土，同時在中間支設I20a型工字鋼，鋼拱架的間距為0.6m。對試驗土樣進行室內三軸試驗，得到膨脹土土水關系曲線、膨脹土吸濕膨脹與飽和度關系曲線，對模型程序進行子程序的二次開發，然后加入有限元的滲流模塊中，確保工程實際和數值計算之間形成一致，這樣膨脹土吸水膨脹產生的膨壓應力對支護結構受力的影響就能夠更好地進行分析。

4.2 計算結果分析

4.2.1 圍巖變形

根據有限元模型的模擬計算可以得出圍巖吸水膨脹前后的位移變化，如表3所示。埋深分別為12m和20m的圍巖變形特點為：首先，20m埋深的膨脹土變形比12m埋深的變形要小，因而可以看出，在埋深增大的情況下，膨脹會受到一定的限制，如果埋深到達一定的極限，就會不再出現膨脹變形。另外，出現膨脹后，水平方向上的收縮位移和拱凸起量都在增大，這是因為圍巖吸水發生膨脹，支護結構受到膨壓應力。在吸水后，圍巖的物理力學性能發生改變，自身的穩定性變差，因此隧道的拱會出現隆起、邊墻水平方向出現收縮。拱頂發生沉降變小是因為設置位移邊界，圍巖在吸水膨脹后，會發生向上的膨脹變形，使得隧道拱頂的沉降量減小。

表3 不同工況下膨脹前后圍巖變形統計

4.2.2 膨脹土隧道襯砌結構內力分析

完成計算后，對斷面支護結構的內力和安全系數分布情況進行分析可以知道：在圍巖吸水發生膨脹后，最開始的支護結構受的內力相比較膨脹之前有所增加，隧洞周圍各處的軸力增加的幅度基本一致，而且增加的量比自身重力作用下支護結構軸力要大。在拱腰處彎矩增加較小，墻腳處增加較大。根據分析得出，在淺埋膨脹土隧道，圍巖吸水產生的膨壓應力對初始支護結構受力的影響要比隧道開挖松動壓力對支護結構受力的影響大。在圍巖吸水發生膨脹之前，初始支護結構安全系數最小值主要在拱腰附近分布，其數值要比隧道設計規范中規定的最小安全系數大，這表明初始的支護結構能夠保證隧道工程安全建設。但是圍巖在吸水發生膨脹后，初始的支護結構安全系數發生了變化，安全系數減小，比隧道設計規范中要求的最小安全系數值還小，因此膨脹土在吸水膨脹后，會對支護結構的安全性產生不利的影響，在實際的施工建設中，需要做好安全防范措施。

5 結束語

綜上所述，結合實際的隧道工程，通過室內直剪試驗，對膨脹土吸水后抗剪強度和膨壓應力對支護結構受力的影響分析可以得知：抗剪強度中摩擦角和粘聚力這兩個指標在含水量增加的情況下會減小，而且粘聚力受含水量變化的影響較大。膨脹土的抗剪強度和含水量之間呈現二次拋物線的關系。另外，在膨脹土隧道圍巖吸水膨脹后，圍巖變形會使支護結構受到較大的膨壓應力，圍巖容易遭到破壞，使隧道出現仰拱隆起和邊墻水平收縮，支護結構的安全性降低。再者，埋深增加會對膨脹變形產生一定的抑制，在達到某一極限埋深后，將不再發生膨脹變形。