趙江濤

（鄭州路橋建設投資集團有限公司，河南鄭州 450000）

0 引言

隧道圍巖是指地殼中受隧道開挖影響的周圍巖體和對隧道穩(wěn)定性有影響的周圍巖體。圍巖的工程性質一般包括三個方面：物理性質、水理性質和力學性質，其中對圍巖穩(wěn)定性影響最大的則是力學性質。

在隧道工程中，圍巖在隧道開挖和支護過程中以及隧道建成后都會對隧道支護體產生應力[1]，從開挖到支護完成，圍巖應力經(jīng)歷了重新分布的過程，其性質也會發(fā)生變化，研究隧道支護體系的安全穩(wěn)定性必須對圍巖與隧道支護體系之間的相互作用力進行分析[2?3]，判斷兩者之間的作用力大小關系。張 磊等[4]通過控制不同泥皮厚度進行了黃土和混凝土接觸面的剪切試驗，泥皮的存在使黃土與混凝土接觸面黏聚力和內摩擦角均顯著減小，隨著泥皮厚度的增加，接觸面黏聚力逐漸減小，其變化速率也逐漸減小，而接觸面內摩擦角變化不大。秦 虎等[5]研究了凍結對硫酸鹽漬土與混凝土接觸面的影響，獲得了接觸界面力學行為隨接觸材料類型及含鹽量變化的規(guī)律。鄧衍博等[6]研究了幾種高硬度透明材料與砂土接觸面力學特性，獲得每種透明材料與砂土接觸面的剪應力切向位移關系以及剪切破壞強度。金子豪[7]研究了粗糙度對砂土與混凝土接觸面力學特性影響，提出可考慮凹槽幾何參數(shù)、槽內土體擾動深度和槽寬修正的粗糙度（R）的計算方法。張 嘎和張建民[8]提出了粗粒土與結構接觸面的統(tǒng)一本構模型并進行試驗驗證，模型預測結果與試驗結果吻合良好。

基于以上研究，分析黃黏土體與隧道支護結構接觸面力學性能的主要方法是結合土體與支護體系接觸面基本力學特性試驗[9?10]，得出影響剪應力和應變之間的關系，在此基礎上歸納分析土體與支護體系之間接觸面的受力變形發(fā)展規(guī)律。本文針對黃黏土地區(qū)隧道支護體系與土體接觸面的關系進行試驗及數(shù)值模擬，提出了適用于黃黏土地區(qū)支護體系與土體之間的計算本構模型，能夠較好地反映接觸面之間的作用原理，可為黃黏土地區(qū)類似工程提供理論支撐。

1 接觸面試驗設備

試驗儀器由剪切設備、豎向加壓裝置、剪應力加載裝置、數(shù)據(jù)接收裝置及控制系統(tǒng)等組成。黃黏土和支護之間的荷載和位移由傳感器測得，然后由數(shù)據(jù)收集裝置將傳感器連接到電腦[11?13]。本試驗儀器可以使隧道周圍的黃黏土體隨意變形，在任何位置任何方向都可以實現(xiàn)自由形變，也可以方便地更換新的試驗材料，因而用其模擬圍巖土體與支護結構接觸面的破壞特性較為接近現(xiàn)場實際，測試數(shù)據(jù)較為準確有效。

接觸面試驗儀由剪切盒、法向荷載施加裝置、剪切荷載施加裝置、土體細觀位移量測裝置、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成（見圖1）。剪切盒分上下兩部分，其中上剪切盒內部尺寸為100 mm×100 mm×50 mm。試驗時，將試驗所用結構試件放到下剪切盒攤鋪的細沙上，保證結構試件水平，再將上剪切盒放置于結構面上固定好，然后將配制好并攪拌均勻的黃黏土試樣分層裝入上剪切盒；每層裝入黃黏土樣結束后，用硬木搗壓密實，再用硬木將壓實面刮毛后裝下一層土樣，重復上述步驟；裝好試樣后，將荷載施加裝置放至試樣上部，預加10 min的預應力后可進行接觸面剪切試驗。下剪切盒在剪切荷載施加裝置的控制下做水平向運動，也就是黃黏土與混凝土接觸面切向運動，實現(xiàn)接觸面上土體與混凝土相對剪切運動。

圖1 剪切盒結構示意圖

在隧道工程中，襯砌常用的結構類型是復合式襯砌，這種結構由初襯、中間防水隔離層和二次襯砌組成。在黃黏土地區(qū)修建隧道，黃黏土往往與初期支護緊密連接，初期支護往往是錨噴混凝土，錨噴支護混凝土與圍巖土體接觸面往往較為粗糙，因此，在試驗時所用的混凝土板應有一定的粗糙度。

試驗所用材料采用具有一定粗糙度的人工粗糙面混凝土板（見圖2），這種混凝土板是在普通模具混凝土板基礎上人工拉毛制成[14?16]。每塊試驗結束后重新更換新的相同粗糙度的試驗混凝土板。

圖2 人工粗糙面

2 黃黏土-混凝土接觸面室內試驗

試驗土樣采用黃黏土，其相對密度為2.55，液限45%，塑限17%，最佳含水率16%，最大干密度1.62 g/cm3，試驗所用土樣按照最佳含水率進行配置。每一組分別作5個試樣，法向壓力分別取100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1600 kPa。采用固結快剪法，先使土樣固結穩(wěn)定，然后在豎向應力不變的情況下進行勻速剪切[17?18]，剪切過程中接觸面積不變。剪切前土樣首先在法向壓力下固結，固結穩(wěn)定后保持法向應力不變進行勻速剪切，剪切速度為0.6 mm/min，接觸面積為100×100 mm2，試驗結果見圖3。向應力可以用 y=0.59x+61.72表達（見圖4）。

圖3 黃黏土接觸面接觸剪應力與剪位移關系曲線

圖4 接觸面法向壓力與抗剪強度關系曲線

3 黃黏土-混凝土接觸面三維數(shù)值試驗

據(jù)圖3中黃黏土與混凝土接觸面剪切試驗曲線，結構接觸面的剪切應力隨著剪切位移的增加呈增長趨勢，到達峰值后接觸面剪應力有較為明顯的軟化趨勢，而后剪應力基本保持水平狀態(tài)。從試驗過程來看，黃黏土與混凝土接觸面的抗剪強度隨著豎向應力的增加呈現(xiàn)直線式增長，根據(jù)測試結果，抗剪強度與豎

利用ABAQUS軟件建立三維黃黏土-混凝土接觸面三維數(shù)值模型（見圖5），模型有43個單元體，上部模塊代表黃黏土樣，下部代表混凝土板，黃黏土樣和混凝土板四周分別承受約束力，混凝土板底部固定，接觸面在黃黏土樣和混凝土板之間設置，土樣頂部承受豎向壓力。

圖5 三維剪切面試驗模型

根據(jù)黃黏土樣和混凝土板的實際受力特點，模型按照彈性受力處理，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430?2020），由室內三軸壓縮試驗或無側限單軸壓縮試驗可得到黃黏土的彈性模量取80 MPa，泊松比取0.25；根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010?2010）及相關經(jīng)驗，設計為C20混凝土板的彈性模量取23 GPa，泊松比取0.15。先在頂部z方向施加豎向向下壓力，然后在x方向施加力使模型移動，移動量為20 mm。將數(shù)值模擬試驗結果與室內試驗結果進行對比，如圖6所示。

由圖6可看出，黃黏土-混凝土接觸面三維數(shù)值模擬曲線可以反映接觸面剪切變形規(guī)律，豎向應力較小時數(shù)值模擬結果同室內試驗結果變形曲線較為一致；豎向應力增大時數(shù)值計算結果與室內試驗結果有所偏差，主要因為應力增加，會使黏土中孔隙體積進一步縮小，模型厚度尺寸減小，試驗體的整體抗剪剛度變化，在數(shù)值模型建模時沒有考慮這種偏差?？偟膩碚f，考慮到取樣的擾動、不同試樣的差別以及數(shù)據(jù)收集的誤差等，可以認為數(shù)值模擬計算結果與室內試驗結果基本一致。

圖6 黃黏土與混凝土面接觸試驗結果與數(shù)值分析結果對比圖

4 接觸面損傷本構模型

由剪切試驗可以看出，當剪應力到達峰值時，隨著剪切位移繼續(xù)增大剪應力逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在接觸面上，大部分土體出現(xiàn)明顯的損傷破壞，也有小部分土體沒有出現(xiàn)損傷[19?20]，剪應力應由這兩部分土體共同承擔，無損傷土體在轉化成損傷土體過程中符合損傷規(guī)律，因此接觸面剪應力τ為：

式中： A 為剪切面積，m2； A1為無損傷土所占的面積，m2； A2為 損傷土所占得面積，m2； τ1和 τ2分別為無損傷土和損傷土的抗剪強度，MPa。接觸面積總和為A=A1+A2，引入損傷變量：

設無損傷土的剪應力與應變關系為：

損傷土的剪應力與應變關系為：

則將式（3）、式（5）和式（6）代入式（1）可得損傷本構模型：

式中：s為剪切面剪切位移，m；s1為無損傷土的剪切位移，m；s2為有損傷土的剪切位移，m。

根據(jù)黃黏土與隧道支護之間的損傷關系，考慮不同應力路徑下?lián)p傷累積，損傷函數(shù)中的剪應變s為應變增量絕對值的累加，可以表示在重復剪切過程中接觸面剪切損傷的累加。

5 結論

本文針對隧道支護結構與黃黏土接觸面的力學特性，進行了室內模擬試驗與數(shù)值模擬分析，得出以下結論：

（1）從黃黏土與混凝土接觸面剪切試驗曲線來看，結構接觸面的剪切應力隨著剪切位移的增加呈現(xiàn)出增長的趨勢，到達峰值后接觸面剪應力有較為明顯的軟化趨勢，而后剪應力基本保持水平狀態(tài)。從試驗過程來看，黃黏土與混凝土接觸面的抗剪強度隨著豎向應力的增加呈現(xiàn)直線式增長。

（2）黃黏土-混凝土接觸面三維數(shù)值模擬曲線可以反映接觸剪切面變形規(guī)律，豎向應力較小時數(shù)值模擬結果同室內試驗結果變形曲線較為一致；豎向應力增大時數(shù)值計算結果與室內試驗結果有所偏差，考慮到取樣的擾動、不同試樣的差別以及數(shù)據(jù)收集的誤差等，可以認為數(shù)值模擬計算結果與室內試驗結果基本一致。

（3）根據(jù)黃黏土與隧道支護結構接觸面的損傷力學特性，考慮不同應力路徑下?lián)p傷累積，提出了接觸面損傷本構模型，該損傷模型函數(shù)中的剪應變s為應變增量絕對值的累加，可以表示在重復剪切過程中接觸面剪切損傷的累加，較為接近實際情況。