沈 杰 柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院

李 杰 廣西科技大學(xué)

1 前言

為了不斷完善我國(guó)的交通網(wǎng)絡(luò)，各類交通工程建設(shè)得到了快速發(fā)展，其中需要穿越不良地質(zhì)區(qū)域的隧道工程建設(shè)數(shù)量也在逐漸增加，而在隧道工程建設(shè)中，由于受地質(zhì)條件的影響，容易遇到淺埋膨脹土隧道。膨脹土應(yīng)對(duì)溫?zé)嶙兓^為敏感，具有吸水膨脹、失水收縮的特性，隧道建設(shè)中容易出現(xiàn)圍巖變形問(wèn)題，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到破壞，進(jìn)而發(fā)生安全事故，對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生不利的影響。關(guān)于膨脹土的作用原理以及工程特性具有較大的復(fù)雜性，在膨脹土圍巖隧道的建設(shè)中存在較大的難度。近年來(lái)，關(guān)于膨脹土抗剪強(qiáng)度特性和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力關(guān)系的研究得到了廣泛關(guān)注，通過(guò)掌握這一關(guān)系，在隧道工程建設(shè)時(shí)才能更好地保證安全性。

2 膨脹土抗剪強(qiáng)度的特殊性

土的抗剪強(qiáng)度主要是指土體能夠抵抗剪切破壞的極限能力，而針對(duì)膨脹土來(lái)說(shuō)，由于存在裂隙的影響，主要包含土塊的抗剪強(qiáng)度和土體的抗剪強(qiáng)度。在室內(nèi)進(jìn)行土工試驗(yàn)依照普通粘性土一般方法確定的抗剪強(qiáng)度指的是特定條件下土的抗剪強(qiáng)度，接近土塊的抗剪強(qiáng)度。在進(jìn)行工程建設(shè)中，關(guān)于土坡穩(wěn)定性、土壓力、地基承載力等進(jìn)行計(jì)算時(shí)的抗剪強(qiáng)度是土體的抗剪強(qiáng)度。關(guān)于膨脹土的土體強(qiáng)度和土塊強(qiáng)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(qiáng)度問(wèn)題變得愈加復(fù)雜化。膨脹土容易軟化，對(duì)于大氣影響深度范圍內(nèi)的土層，含水量會(huì)發(fā)生變化，因而膨脹土的強(qiáng)度也會(huì)改變，所以膨脹土的抗剪強(qiáng)度為動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件可能會(huì)發(fā)生變化，因而使土層的含水量發(fā)生改變，膨脹土的強(qiáng)度會(huì)受到怎樣的影響，需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 含水量不同情況下的膨脹土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

非飽和土的抗剪強(qiáng)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(shí)度變化，所以，膨脹土的抗剪強(qiáng)度主要影響因素是外部水環(huán)境。根據(jù)實(shí)際的隧道工程建設(shè)，在室內(nèi)環(huán)境下配制和工程現(xiàn)場(chǎng)原狀土具有一樣干密度的膨脹土試樣，使用直剪試驗(yàn)方法，對(duì)含水量不同情況下的膨脹土抗剪強(qiáng)度變化進(jìn)行分析，以明確含水量和摩擦角、粘聚力之間的聯(lián)系，進(jìn)而為后續(xù)的研究提供有效的數(shù)據(jù)參考。

3.1 制作土樣

準(zhǔn)備好直剪試驗(yàn)的裝置，然后在開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行包裹，以避免土樣中水分蒸發(fā)。接著對(duì)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(yàn)結(jié)果

在完成試驗(yàn)后，對(duì)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，如表1所示。

表1 直剪試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果，將初始含水量不同情況下抗剪強(qiáng)度和荷載之間的關(guān)系曲線繪制如圖1所示。

圖1 含水量不同條件下抗剪強(qiáng)度和荷載關(guān)系圖

根據(jù)曲線關(guān)系進(jìn)行擬合，確定一般的擬合方程為：

其中τ表示抗剪強(qiáng)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(qiáng)度和荷載之間的關(guān)系曲線，然后將含水量不同條件下兩者之間關(guān)系擬合方程系數(shù)c和φ確定出來(lái)，初始含水量和c、φ之間的關(guān)系如表2所示。

結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，能夠得到含水量和粘聚力、摩擦角之間的關(guān)系曲線，關(guān)系擬合方程如下：

表2 初始含水量和擬合系數(shù)c、φ之間的關(guān)系表

通過(guò)分析含水量和摩擦角、粘聚力之間的關(guān)系，可以知道，在室內(nèi)進(jìn)行膨脹土試樣試驗(yàn)，膨脹土的抗剪強(qiáng)度摩擦角和粘聚力指標(biāo)受含水量變化的影響較大，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)聯(lián)系。摩擦角和初始含水量之間呈現(xiàn)線性遞減關(guān)系，粘聚力和含水量之間呈現(xiàn)二次拋物線遞減關(guān)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(qiáng)度主要受粘聚力影響，由此可以得出，膨脹土的抗剪強(qiáng)度和初始含水量之間存在二次拋物線遞減的關(guān)系。

4 膨脹土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征有限元模擬

以實(shí)際的隧道工程為例，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到膨脹土物理力學(xué)參數(shù)，然后依據(jù)膨脹土的特征曲線，建立模型。使用ABAQUS有限元軟件數(shù)值模擬滲流膨脹過(guò)程，然后根據(jù)模型分析在隧道圍巖吸水膨脹下，圍巖變形和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化的特征。

4.1 有限元模型

對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行模擬主要使用三臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖留核心土法，其中埋深主要設(shè)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(zhǎng)度為30m，隧道拱頂?shù)缴线吔绲木嚯x為12m和20m，隧道開(kāi)挖的高度設(shè)置為13.5m，跨度最大15.2m。在對(duì)圍巖進(jìn)行初始支護(hù)時(shí)，主要使用28cm厚的C25噴射混凝土，同時(shí)在中間支設(shè)I20a型工字鋼，鋼拱架的間距為0.6m。對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，得到膨脹土土水關(guān)系曲線、膨脹土吸濕膨脹與飽和度關(guān)系曲線，對(duì)模型程序進(jìn)行子程序的二次開(kāi)發(fā)，然后加入有限元的滲流模塊中，確保工程實(shí)際和數(shù)值計(jì)算之間形成一致，這樣膨脹土吸水膨脹產(chǎn)生的膨壓應(yīng)力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響就能夠更好地進(jìn)行分析。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

4.2.1 圍巖變形

根據(jù)有限元模型的模擬計(jì)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(diǎn)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(huì)受到一定的限制，如果埋深到達(dá)一定的極限，就會(huì)不再出現(xiàn)膨脹變形。另外，出現(xiàn)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?yàn)閲鷰r吸水發(fā)生膨脹，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到膨壓應(yīng)力。在吸水后，圍巖的物理力學(xué)性能發(fā)生改變，自身的穩(wěn)定性變差，因此隧道的拱會(huì)出現(xiàn)隆起、邊墻水平方向出現(xiàn)收縮。拱頂發(fā)生沉降變小是因?yàn)樵O(shè)置位移邊界，圍巖在吸水膨脹后，會(huì)發(fā)生向上的膨脹變形，使得隧道拱頂?shù)某两盗繙p小。

表3 不同工況下膨脹前后圍巖變形統(tǒng)計(jì)

4.2.2 膨脹土隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

完成計(jì)算后，對(duì)斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和安全系數(shù)分布情況進(jìn)行分析可以知道：在圍巖吸水發(fā)生膨脹后，最開(kāi)始的支護(hù)結(jié)構(gòu)受的內(nèi)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(hù)結(jié)構(gòu)軸力要大。在拱腰處彎矩增加較小，墻腳處增加較大。根據(jù)分析得出，在淺埋膨脹土隧道，圍巖吸水產(chǎn)生的膨壓應(yīng)力對(duì)初始支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響要比隧道開(kāi)挖松動(dòng)壓力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響大。在圍巖吸水發(fā)生膨脹之前，初始支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值主要在拱腰附近分布，其數(shù)值要比隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的最小安全系數(shù)大，這表明初始的支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠保證隧道工程安全建設(shè)。但是圍巖在吸水發(fā)生膨脹后，初始的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)發(fā)生了變化，安全系數(shù)減小，比隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中要求的最小安全系數(shù)值還小，因此膨脹土在吸水膨脹后，會(huì)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生不利的影響，在實(shí)際的施工建設(shè)中，需要做好安全防范措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合實(shí)際的隧道工程，通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)，對(duì)膨脹土吸水后抗剪強(qiáng)度和膨壓應(yīng)力對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響分析可以得知：抗剪強(qiáng)度中摩擦角和粘聚力這兩個(gè)指標(biāo)在含水量增加的情況下會(huì)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(qiáng)度和含水量之間呈現(xiàn)二次拋物線的關(guān)系。另外，在膨脹土隧道圍巖吸水膨脹后，圍巖變形會(huì)使支護(hù)結(jié)構(gòu)受到較大的膨壓應(yīng)力，圍巖容易遭到破壞，使隧道出現(xiàn)仰拱隆起和邊墻水平收縮，支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性降低。再者，埋深增加會(huì)對(duì)膨脹變形產(chǎn)生一定的抑制，在達(dá)到某一極限埋深后，將不再發(fā)生膨脹變形。