靳正付,付大喜,楊明輝,胡珍寶
(1.河南省新融高速公路建設(shè)有限公司, 河南 洛陽(yáng) 471027;2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044; 2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 河南 鄭州 450015;4.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)
黃土在我國(guó)華北及西北地區(qū)有著極為廣泛的分布,而隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展,黃土區(qū)出現(xiàn)了大量穿越于黃土層的淺埋隧道工程。此時(shí),由于上覆土層較薄,圍巖自穩(wěn)能力較差,開挖過程中極易產(chǎn)生貫穿至地表的坍塌,由此給施工人員的生命安全帶來(lái)了極大的不確定性。為合理分析淺埋隧道的穩(wěn)定性問題,圍巖松動(dòng)壓力是其中極為關(guān)鍵的重要指標(biāo),從而成為淺埋隧道設(shè)計(jì)計(jì)算的研究重點(diǎn)之一[1-2]。
不少學(xué)者已對(duì)淺埋隧道的圍巖松動(dòng)壓力進(jìn)行了深入研究。劉翔等[3]根據(jù)極限平衡法推導(dǎo)出了變坡面條件下淺埋偏壓隧道松動(dòng)圍巖壓力的計(jì)算公式。楊建民等[4]開展了大斷面黃土隧道深淺埋分界、深淺埋圍巖壓力計(jì)算研究, 提出了大斷面黃土隧道深淺埋分界高度及相應(yīng)的圍巖壓力計(jì)算方法。于麗等[5]基于極限平衡理論推導(dǎo)了黃土區(qū)圍巖壓力及圍巖滑裂面上圍巖破裂角的計(jì)算公式。
極限分析法由于其概念清晰,已被越來(lái)越多的學(xué)者用于隧道圍巖壓力求解。如楊峰等[6]假定了淺埋隧道圍巖的2種剛體平動(dòng)破壞模式,通過上限法求得了淺埋隧道的圍巖壓力,證明了使用極限分析上限法計(jì)算隧道圍巖壓力的可行性。楊小禮等[7]則考慮到土體非線性破壞準(zhǔn)則普遍適用性,以太沙基破壞模式為基礎(chǔ),使用極限分析上限法求解了淺埋隧道圍巖壓力的計(jì)算公式,并論證了非線性系數(shù)對(duì)圍巖壓力的重要影響。宋春霞等[8]采用極限分析法推導(dǎo)了非均質(zhì)黏土地層中圍巖壓力的上限解,并討論了土體的非均質(zhì)性對(duì)圍巖壓力及破壞模式的影響。Leca等[9]構(gòu)建了砂土隧道中掌子面的3種滑動(dòng)破壞機(jī)構(gòu),通過極限分析法求得了保持掌子面穩(wěn)定的極限支護(hù)壓力。Wang等[10]利用正交試驗(yàn)法和UDEC確定了淺埋隧道在復(fù)雜地層的破壞模式,并在此基礎(chǔ)上使用極限分析上限理論確定了松動(dòng)區(qū)圍巖壓力計(jì)算公式。
值得注意的是,黃土在沉積過程中形成特有的大孔隙骨架結(jié)構(gòu),垂直節(jié)理發(fā)育明顯,顆粒間膠結(jié)作用較強(qiáng),這使得其具有顯著結(jié)構(gòu)性[11]。因此黃土區(qū)淺埋隧道的分析需考慮該問題,國(guó)內(nèi)已有許多學(xué)者就結(jié)構(gòu)性對(duì)實(shí)際工程的影響開展了大量研究。如鄧國(guó)華等[12]基于黃土結(jié)構(gòu)性和強(qiáng)度的關(guān)系,將結(jié)構(gòu)性參數(shù)納入芬那公式中,使其可更加全面地反映濕度變化和應(yīng)力擾動(dòng)對(duì)塑性區(qū)及支護(hù)力大小的影響。而在以往計(jì)算中大都忽略了黃土結(jié)構(gòu)性對(duì)隧道圍巖壓力的影響。
因此,本研究以三軸試驗(yàn)為基礎(chǔ),分析試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化規(guī)律,進(jìn)而將結(jié)構(gòu)性參數(shù)引入摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則中。在此基礎(chǔ)上,基于黃土特性構(gòu)建淺埋黃土隧道的滑動(dòng)破壞機(jī)構(gòu),使用極限分析上限定理推導(dǎo)出適于淺埋黃土隧道松動(dòng)圍巖的壓力計(jì)算公式,并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與其他理論計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析進(jìn)行驗(yàn)證,從而為同類型隧道施工設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
由于受地理環(huán)境因素影響,黃土表現(xiàn)出獨(dú)有的結(jié)構(gòu)性特點(diǎn),其抗剪強(qiáng)度勢(shì)必受到影響。到目前為止,已有眾多學(xué)者基于綜合結(jié)構(gòu)勢(shì)思想提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性參數(shù)表達(dá)式,其中鄧國(guó)華等提出的應(yīng)力比結(jié)構(gòu)性參數(shù)mη,可全面反映球應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響,應(yīng)用較為廣泛:
(1)
式中(q/p)i,(q/p)r,(q/p)s分別為原狀、重塑、飽和黃土剪應(yīng)力與球應(yīng)力的比值。
為分析黃土結(jié)構(gòu)性與強(qiáng)度的關(guān)系,本研究首先提出了黃土在不同含水量和圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,以較全面地反映加荷、浸水和擾動(dòng)對(duì)土體結(jié)構(gòu)性的影響。試驗(yàn)用土為典型Q3黃土。圍壓分別選取50,100,200,300 kPa,同時(shí)選擇5%,10%,15%,20%這4種含水量。圖1為結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨含水量、圍壓和應(yīng)變的變化規(guī)律。
圖1 各含水量結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化規(guī)律Fig.1 Variation rules of structural parameters with different water contents
從圖1可知,土體的結(jié)構(gòu)性參數(shù)mη隨著含水量增加逐漸減小,但隨著圍壓的增大而逐漸增大。同時(shí),從整體來(lái)看,結(jié)構(gòu)性參數(shù)隨剪切變形的發(fā)展大致可分為2個(gè)階段:第1階段為結(jié)構(gòu)性參數(shù)急劇下降階段,該階段通常發(fā)生在剪切變形的初期,此時(shí)土體結(jié)構(gòu)的損傷會(huì)使結(jié)構(gòu)性參數(shù)大幅、快速降低,這一階段以原生結(jié)構(gòu)的破壞為主導(dǎo)。第2階段為結(jié)構(gòu)性參數(shù)平穩(wěn)發(fā)展階段,隨著剪切過程的持續(xù)發(fā)展,被破壞的土體結(jié)構(gòu)在外界應(yīng)力作用下會(huì)趨向于形成新的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),此時(shí)土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)下降幅度變得平緩,最終趨近于1。
為了定量表征結(jié)構(gòu)性參數(shù)對(duì)土體強(qiáng)度的影響,諸多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的探索[13-14],大多采用如下方法進(jìn)行模擬:內(nèi)摩擦角不隨結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化而變化,黏聚力與結(jié)構(gòu)性參數(shù)之間符合近似的雙曲線關(guān)系,即:
(2)
式中,a,b,F(xiàn)均為擬合參數(shù)。
然而,對(duì)于土體而言,隨著應(yīng)變的增加,其強(qiáng)度一般逐漸減弱,而式(2)中并沒有體現(xiàn)結(jié)構(gòu)性參數(shù)相對(duì)初始情況變化的相關(guān)參數(shù),由文獻(xiàn)[15]的推算結(jié)果,這可能會(huì)導(dǎo)致根據(jù)某一結(jié)構(gòu)性參數(shù)值確定的黏聚力遠(yuǎn)大于土體正常黏聚力的情況。而土體的強(qiáng)度參數(shù)顯然不能超過土體的初始強(qiáng)度參數(shù)。可見,分析結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化對(duì)土體強(qiáng)度的影響不能基于土體當(dāng)前結(jié)構(gòu)性參數(shù)絕對(duì)值大小,而應(yīng)基于當(dāng)前結(jié)構(gòu)性參數(shù)相比于土體初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化值的大小。
為此,本研究引入結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度和強(qiáng)度參數(shù)發(fā)揮度的概念。即定義某初始狀態(tài)下原狀土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)為其對(duì)應(yīng)的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù)。結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度Φη可定義為:
(3)
式中,mη為土體任一狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)性參數(shù);mη0為土體的初始結(jié)構(gòu)性參數(shù),可采用文獻(xiàn)[16]中類似的方法確定,即對(duì)結(jié)構(gòu)性參數(shù)與應(yīng)變關(guān)系曲線中應(yīng)變較小的部分進(jìn)行線性延伸,取延伸線段與坐標(biāo)軸縱軸的交點(diǎn)為零應(yīng)變時(shí)土體的結(jié)構(gòu)性參數(shù)。顯然,土體結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化下限則為土體結(jié)構(gòu)性完全喪失的狀態(tài),此時(shí)mη接近1。
相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)發(fā)揮度中黏聚力發(fā)揮度Φc和內(nèi)摩擦角發(fā)揮度Φφ的定義如下:
(4)
式中,cη為任一結(jié)構(gòu)性參數(shù)mη對(duì)應(yīng)的黏聚力;c0為土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全發(fā)揮時(shí)的黏聚力;φη為任一結(jié)構(gòu)性參數(shù)mη對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角;φ0為土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全發(fā)揮時(shí)內(nèi)摩擦角。
從而考慮結(jié)構(gòu)性影響的摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則可寫為:
τ=cη+σtanφη=c0·Φc+σtanφ0·Φφ。
(5)
式中τ和σ分別為剪應(yīng)力和正應(yīng)力。
強(qiáng)度參數(shù)發(fā)揮度與結(jié)構(gòu)性參數(shù)發(fā)揮度之間的關(guān)系見圖2。可以看出,黏聚力發(fā)揮度與結(jié)構(gòu)性參數(shù)發(fā)揮度之間符合線性關(guān)系,而內(nèi)摩擦角發(fā)揮度基本不受結(jié)構(gòu)性參數(shù)變化的影響。這說(shuō)明,隨著荷載的增加,土顆粒間開始產(chǎn)生相對(duì)滑移,土體的結(jié)構(gòu)性開始逐漸發(fā)揮,在荷載增長(zhǎng)的初期,主要是土體的摩擦特性在發(fā)揮作用,隨著土顆粒間相對(duì)滑移的不斷增大,即土體的結(jié)構(gòu)性發(fā)揮到一定程度時(shí),顆粒間的膠接結(jié)構(gòu)也開始承擔(dān)抵抗外力的作用,此時(shí)土體的黏聚分量也開始承擔(dān)一部分外力,當(dāng)土體的結(jié)構(gòu)性接近完全發(fā)揮的臨界狀態(tài)時(shí),土體的黏聚力達(dá)到最大值。
圖2 強(qiáng)度參數(shù)發(fā)揮度與結(jié)構(gòu)性參數(shù)發(fā)揮度的關(guān)系Fig.2 Relationships between strength parameter extent and structural parameter extent
通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到黏聚力發(fā)揮度與結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度之間的關(guān)系式:
Φc=a1Φη+b1,
(6)
式中a1和b1均為擬合參數(shù)。
在確定土體強(qiáng)度參數(shù)后,即可構(gòu)造黃土區(qū)淺埋隧道破壞模式。眾所周知,黃土區(qū)存在明顯的垂直節(jié)理,而從黃土隧道施工現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看,隧道開挖過程極易形成坍塌至地表的直立滑動(dòng)面,而非大多數(shù)學(xué)者采用的楔形滑動(dòng)面[17],因此本研究構(gòu)建了淺埋黃土隧道破壞模式,如圖4所示。其中, 隧道埋深為H;不失一般性將隧道簡(jiǎn)化為圓形截面,洞徑為d,洞高為h;而隧道的破壞面包括從拱腳部分以破裂角α延伸至隧道頂板的BC和B1C1,以及從隧道頂板豎直貫穿至地表的AB和A1B1;隧道上覆土體ABB1A1的速度大小為v0,方向豎直向下;隧道兩側(cè)三角形楔體的速度大小為v1,其相對(duì)速度均為v01。隧道頂板處受均布支護(hù)反力為q,邊墻處均布支護(hù)反力為e。根據(jù)相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則,所有速度與剛性滑塊之間的速度間斷線上的夾角均為φ,且各速度滿足閉合條件,從而可得到圖5所示的速度場(chǎng)。
圖3 淺埋隧道的破壞模式Fig.3 Failure mode of shallow tunnel
圖4 破壞模式對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)Fig.4 Velocity field corresponding to failure mode
圖5 圍巖壓力現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)Fig.5 Field monitoring test of rock pressure
極限分析上限定理已被廣泛應(yīng)用于巖土工程的各個(gè)領(lǐng)域,其定義可以表述為[18]:對(duì)于任意運(yùn)動(dòng)許可的位移場(chǎng)和塑性應(yīng)變率場(chǎng),根據(jù)虛功率方程式(7)所確定的荷載F一定不小于真實(shí)的破壞荷載F*:
(7)
在使用極限分析上限定理研究淺埋黃土隧道的穩(wěn)定性時(shí),為方便計(jì)算作如下假設(shè):(1)隧道圍巖的破壞簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行分析;(2)假設(shè)某狀態(tài)下整個(gè)隧道圍巖的結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度為定值;(3)豎向松動(dòng)壓力q沿著拱頂均勻分布,側(cè)向力e沿著邊墻均勻分布。
2.2.1 外力功率和內(nèi)能耗散率的計(jì)算
外力功率由土體重力功率WG和隧道支反力功率Ws組成,內(nèi)能耗散率則為所有間斷面上的能量耗散率之和??紤]到滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性,為簡(jiǎn)化計(jì)算,僅取滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的左半部分分析。
(1)根據(jù)圖4中的幾何關(guān)系可求得間斷線的長(zhǎng)度AB,OB及滑動(dòng)塊體的面積S0,S1:
AB=H,OB=htanα,
(8)
(9)
(10)
2.2.2 外力所作功率
(1)土體重力功率
(11)
(12)
(13)
(2)豎向松動(dòng)壓力功率
-qhv0f3,
(14)
式中q為豎向松動(dòng)土壓力。
(3)速度矢量關(guān)系
由速度場(chǎng)滿足相容條件可以得到各速度矢量之間的關(guān)系:
(15)
(16)
(4)內(nèi)能耗散率
(17)
2.2.3 圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算
根據(jù)虛功率原理,聯(lián)立式(8)~式(17)可求得豎向松動(dòng)土壓力q的表達(dá)式:
(18)
式中f1~f4為關(guān)于α和φ的無(wú)量綱函數(shù):
f1=0.5+tanα,
(19)
(20)
(21)
(22)
由式(18)可知,對(duì)于1組給定的參數(shù),可確定相應(yīng)的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和1個(gè)上限解q,因此式(18)的最優(yōu)解的求解以轉(zhuǎn)化成如下的數(shù)學(xué)模型:在給定的約束條件下,求解目標(biāo)函數(shù)q=f(α,φ)的最大值,該最大值既是圍巖壓力的上限解,顯然對(duì)于工程實(shí)際而言,其亦是保持隧道穩(wěn)定所需支護(hù)力的最小值。
根據(jù)圖4的速度場(chǎng)即可確定相應(yīng)的約束條件:
π/2-α-2φ>0。
(23)
采用matlab軟件中的序列二次規(guī)劃算法,在指定約束條件內(nèi)調(diào)整α和φ的值,直到得到最大的q值,該值即為優(yōu)化上限解,而相應(yīng)的破裂角α對(duì)應(yīng)的就是最危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。
為驗(yàn)證本研究方法的準(zhǔn)確性,在現(xiàn)場(chǎng)(河南省澠欒高速可樂灣隧道)3個(gè)不同掌子面進(jìn)行了隧道上覆圍壓壓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn),其中隧道頂處土壓力值可作為上覆松動(dòng)壓力值,如圖5所示。將本研究方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值及其他理論解進(jìn)行了比較。具體參數(shù)如下:隧道寬度d=13.76 mm和高度h=9.692 m,圍巖容重γ=18 kN/m3,內(nèi)摩擦角φ=25°,黏聚力c=30 kPa,假設(shè)極限分析上限法中黏聚力和結(jié)構(gòu)性參數(shù)發(fā)揮度之間滿足式(6)的關(guān)系,結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度Φη取0.4。(該值由3個(gè)不同斷面的圍巖壓力值反演得到,準(zhǔn)確反演值為0.48,0.45,0.41)。對(duì)于太沙基法,側(cè)壓力系數(shù)K0取為1.0(極限分析法的K值根據(jù)太沙基法的e/q確定)。并將各方法得到淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算結(jié)果,見表1(其中1-3斷面為反演斷面,而4-6個(gè)斷面為驗(yàn)證斷面)。
表1 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison result between measured and theoretical values
由表1所示,所有理論的圍巖壓力計(jì)算結(jié)果都隨著埋深的增加而增大,這和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)律相吻合。但太沙基理論及謝家杰計(jì)算值較為保守。本研究的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值更為接近,表明本研究方法在合理的結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度取值的情況下,圍巖壓力計(jì)算結(jié)果既可滿足支護(hù)設(shè)計(jì)要求,還能在一定程度上節(jié)省工程造價(jià)。
為進(jìn)一步研究不同參數(shù)對(duì)淺埋黃土隧道松動(dòng)壓力的影響規(guī)律,基礎(chǔ)參數(shù)取值參照上一節(jié),各參數(shù)分析范圍如下:隧道埋深H=10~30 m,隧道跨度和高度均取10 m,黃土重度γ=14~22 kN/m3,黏聚力c=30 kPa,結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度Φη=0.2~1.0,內(nèi)摩擦角φ=20°~30°,側(cè)壓力系數(shù)K=0.5~1.0。將以上參數(shù)代入式(18)進(jìn)行計(jì)算,即可得到不同參數(shù)變化對(duì)淺埋黃土隧道松動(dòng)壓力的影響規(guī)律,結(jié)果如圖6所示。
圖6 淺埋隧道上覆松動(dòng)壓力影響因素分析Fig.6 Analysis of influencing factors of loosening pressure on shallow tunnel
可以看出,當(dāng)結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度一定時(shí),隨著側(cè)壓力系數(shù)K的增加,松動(dòng)壓力q呈非線性減小的趨勢(shì),如K值由0.5上升至1.0,松動(dòng)壓力q減小了近100%,且減小趨勢(shì)先快后慢,這說(shuō)明前期側(cè)壓力系數(shù)的變化對(duì)支護(hù)壓力影響較大,后期影響趨于平緩。隨著內(nèi)摩擦角的增大,松動(dòng)壓力線性減小,因此在隧道施工過程中,對(duì)于土質(zhì)較差的圍巖,可考慮通過支錨注漿的方式改善圍巖的物理力學(xué)性質(zhì),從而達(dá)到減小松動(dòng)壓力,提高隧道整體穩(wěn)定性的效果。隨著隧道埋深和圍巖重度的增加,松動(dòng)壓力也同步線性增大,埋深和重度的增加相當(dāng)于增加了隧道頂板上覆土體的滑動(dòng)力,因而導(dǎo)致松動(dòng)壓力增大。此外,松動(dòng)壓力隨著結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度的增大而減小,且結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度的改變對(duì)松動(dòng)壓力的影響較為明顯,因此在淺埋黃土隧道施工過程中,應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇開挖方式以及恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī),避免對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)造成急劇性的損壞,否則不利于黃土土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的發(fā)揮。
本研究首先對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性與強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上,引入極限分析理論,對(duì)黃土區(qū)淺埋隧道的上覆圍巖松動(dòng)壓力求解方法進(jìn)行了探討。主要結(jié)論如下:
(1)引入了黃土結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度的概念,提出了改進(jìn)的強(qiáng)度參數(shù)和結(jié)構(gòu)性參數(shù)關(guān)系的描述方法,使其可更完整地反映二者之間的關(guān)系。
(2)將考慮結(jié)構(gòu)性影響的摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則引入隧道的穩(wěn)定性分析中,根據(jù)極限分析上限定理及工程實(shí)際構(gòu)建淺埋黃土隧道的破壞模式,推導(dǎo)出黃土區(qū)淺埋隧道隧道圍巖壓力計(jì)算公式,并通過優(yōu)化算法得到圍巖壓力的最優(yōu)解。
(3)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,黃土結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度大約在0.4~0.5之間。而黃土區(qū)淺埋隧道松動(dòng)土壓力與多因素相關(guān)。對(duì)比分析表明,松動(dòng)圍巖壓力隨著隧道埋深和圍巖重度的增加而線性增長(zhǎng),但隨著側(cè)壓力系數(shù)與土體強(qiáng)度的增加而減小。
(4)本研究提出了一種黃土結(jié)構(gòu)性發(fā)揮度的模擬方法及其對(duì)圍巖松動(dòng)壓力的影響,但由于其影響因素眾多,且難以在實(shí)際工程中直接準(zhǔn)確測(cè)定,因此該結(jié)構(gòu)性與其他強(qiáng)度參數(shù)的準(zhǔn)確關(guān)系仍有待于進(jìn)一步深入研究。