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    考慮非飽和黃土基質(zhì)吸力影響的隧道病害分析

    2013-11-25 06:24:24薛曉輝宿鐘鳴孫志杰員康鋒
    關(guān)鍵詞:非飽和吸力黃土

    薛曉輝,宿鐘鳴,孫志杰,員康鋒

    (山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室,山西 太原030006)

    隨著我國中西部高速公路建設的不斷發(fā)展,非飽和黃土隧道越來越多.在非飽和黃土地區(qū),由于隧道的開挖使得隧道周圍形成一個應力自由面,而且從水文學角度來講,隧道的開挖形成了一個地下水匯集長廊,此匯水過程使隧道周圍土體內(nèi)的含水量發(fā)生顯著增加,引起土體中基質(zhì)吸力的急劇減小,使其土體強度也隨之大大減?。?-2]. 由此而引發(fā)隧道施工及運營過程中的諸多問題.

    目前,研究非飽和黃土的工程性質(zhì)必須考慮非飽和黃土基質(zhì)吸力隨土體內(nèi)含水量大小的變化情況,這在工程界已形成了共識.任青文等根據(jù)隧道施工期和運營期不同的受力情況,推導出深埋隧道塑性區(qū)不同的芬納公式,并對芬納公式進行了修正[3].李寧軍等利用修正的芬納公式分析了非飽和黃土基質(zhì)吸力變化對隧道力學特性的影響[4]. 康佐等結(jié)合工程實例,利用芬納公式和有限元數(shù)值模擬分析了非飽和黃土基質(zhì)吸力的變化對隧道支護力和塑性區(qū)的影響[5].這些研究工作都是利用芬納公式得出的結(jié)論直接應用于工程實際,而未從試驗角度分析基質(zhì)吸力的變化規(guī)律. 筆者結(jié)合大有山隧道工程實例,利用室內(nèi)試驗分析基質(zhì)吸力的變化規(guī)律,進而分析隧道病害的形成機理,并指出其相關(guān)防治措施,以期能為類似的非飽和黃土隧道的設計、施工提供理論指導,減少隧道施工及運營期的病害,提高其經(jīng)濟效益和社會效益.

    1 工程概況

    大有山隧道隧址區(qū)位于西寧盆地,為雙向四車道分離式隧道,其隧道右線里程為YK2 +660—YK5+190,左線里程為ZK2 +660—ZK5 +205. 隧道埋深為20 ~110 m,開挖跨度12. 6 m,設計速度為100 km/h.隧道建筑限界寬度為10. 75 m,高度為5.0 m.預測2028年日平均交通量為51 315 輛/日(小客車).

    隧址區(qū)地貌單元屬黃土塬梁地貌,海拔高程為2 314.8 ~2 444.2 m,相對高差約130 m. 進口段為北川河西岸Ⅲ級階地地貌,地形呈階梯狀起伏,臺面平整;出口端為黃土塬梁深切溝谷斜坡地貌,坡面陡峻,坡度為45° ~50°.在左線ZK2 +960—ZK3 +180或右線K3 +080—K3 +240 洞身段為深切U 型溝谷,溝床有二、三十米厚的素土碾壓夯實墊層.

    在地質(zhì)構(gòu)造方面,隧址區(qū)位于祁、呂、賀“山”字型構(gòu)造體系的西翼弧形褶皺帶部位,總體褶皺形態(tài)表現(xiàn)為復式向斜構(gòu)造.西寧市位于其背斜軸部末端.在燕山運動中,該區(qū)發(fā)生了斷裂凹陷,形成了許多山間盆地,沉積了較厚的第三系泥巖;喜馬拉雅運動使第三系地層發(fā)生了平緩的褶皺和斷裂,以后受長期的侵蝕和剝蝕,堆積了較厚的第四系黃土.勘探結(jié)果揭示,隧址區(qū)黃土地層屬于第四系上更新風積黃土,為半干旱地區(qū)的非飽和黃土,且?guī)в幸欢ǖ臐裣菪?

    2 大有山隧道病害概況

    2.1 塌 方

    2008年8月12日,西寧過境公路西段大有山隧道進口左洞ZK2 +957—ZK2 +963 處(距掌子面約60 m)拱頂下沉40 mm 左右,ZK2 +950—ZK2 +957 處初期支護混凝土出現(xiàn)裂縫. 掌子面處發(fā)生突泥、涌水,隨后在ZK2 +960 處發(fā)生塌方,地表產(chǎn)生塌陷,塌陷范圍11 m×10 m,深度2.5 ~3.0 m.

    2.2 裂 縫

    大有山隧道仰拱裂縫約有10 ~15 條,其中進口段4 條,出口段8 條,每條裂縫長度約4 ~6 m,裂縫寬度約5 ~10 mm,裂縫位置為距拱腳1.0 ~1.5 m.裂縫發(fā)育的時間為初期支護封閉成環(huán)后,二次襯砌施工以前.觀測結(jié)果顯示,在二次襯砌施工完成后,裂縫逐漸停止了發(fā)育. 二次襯砌裂縫主要發(fā)生在仰拱回填斷面處、車人行橫洞與主洞交叉口位置,裂縫沿車人行橫洞洞口向主洞襯砌上方延伸,裂縫寬度2 ~3 mm,長度1 ~2 m.

    大有山隧道在通車運營1 a 后,隧道洞內(nèi)路面、洞身出現(xiàn)環(huán)向裂縫,且在同年7月份的兩次集中強降雨后裂縫發(fā)展速度急劇增加.

    3 病害機理分析

    3.1 理論分析

    非飽和黃土在物理性質(zhì)方面較一般黃土有較大差異,其黏聚力是由土中水膜的物理化學作用以及土礦物顆粒的黏結(jié)力和顆粒間分子吸力所構(gòu)成;摩擦力取決于土顆粒接觸面上的正應力大小和土顆粒與膠結(jié)物接觸面之間的摩擦程度;吸附強度由基質(zhì)吸力產(chǎn)生,受含水量的影響較大,當土的含水量達到飽和狀態(tài)時,土的基質(zhì)吸力和吸附強度隨之消失.因此非飽和土摩爾-庫侖強度條件下的抗剪強度為

    式中:Cw為黏聚力;S 為基質(zhì)吸力;bSd為吸附強度;σtanφ 為摩擦力;b,d 為隨取土點而變化的擬合參數(shù).

    由式(1)可以看出,非飽和黃土基質(zhì)吸力的變化對于土體的力學形態(tài)影響較大,從而直接影響了非飽和黃土隧道病害的發(fā)生及其發(fā)展.

    3.1.1 非飽和黃土基質(zhì)吸力對隧道支護力的影響

    修正的芬納公式假定隧道處于無限大、均質(zhì)各向同性的巖土體中,黏聚力和摩擦角為常數(shù),從而根據(jù)隧道的彈塑性分析可將其視為軸對稱問題. 將式(1)代入修正的芬納公式可得

    式中:Pi為隧道內(nèi)支護力;P0為隧道初始地應力;r0為開挖半徑;R0為土體塑性區(qū)半徑.

    由式(3)可知,隧道內(nèi)支護力Pi由初始地應力P0、黏聚力Cw、吸附強度bSd決定,而三者對支護力的貢獻又與a 有關(guān).當a 增大時,初始地應力對隧道的施壓作用增大,黏聚力和吸附力對隧道的承載作用減小;當a 減小時,則相反. 假定土體塑性區(qū)半徑R0保持一定,開挖半徑r0為一定值,則a 值的大小取決于摩擦角φ.當土體含水量增加時,摩擦角減小,a值增大,基質(zhì)吸力對隧道的承載力貢獻減小.為定量分析基質(zhì)吸力與隧道內(nèi)支護力之間的關(guān)系,將a 取為3 個定值,利用擬合曲線得出規(guī)律如圖1所示.

    圖1 Pi-S 關(guān)系曲線

    由圖1可以看出,當基質(zhì)吸力S 增大時,隧道支護力Pi則隨之減小;相反,當基質(zhì)吸力減小時,隧道支護力則隨之增大.可以推斷,當非飽和黃土含水量增加時,基質(zhì)吸力急劇減小,隧道支護力則隨之增大,且當a 值較小時,支護力Pi增大的趨勢越顯著.

    大有山隧道地表水的下滲引起非飽和黃土基質(zhì)吸力的損失,導致隧道所需支護力急劇增大;且通過對拱肩、拱墻、拱腳等部位的鉆孔勘探,發(fā)現(xiàn)原土體含水率由10% ~30%增加至25% ~45%,飽和度增加至50% ~60%,在拱腳位置甚至出現(xiàn)了泥化現(xiàn)象,土體抗壓強度較設計值有極大的折減. 因此,隧道結(jié)構(gòu)的原有支護力已不能滿足隧道整體穩(wěn)定性的要求,從而引發(fā)拱頂下沉、塌方等病害.

    3.1.2 非飽和黃土基質(zhì)吸力對隧道塑性區(qū)的影響非飽和黃土基質(zhì)吸力的變化對土體強度的影響較大,從而間接影響隧道的塑性區(qū).為定量分析基質(zhì)吸力S 對隧道塑性區(qū)半徑R0的影響,先假設隧道內(nèi)支護力達到理論最大值,即

    由式(5)可知,當基質(zhì)吸力不斷減小時,Δ(bSd)不斷增大,A 值不斷增大,塑性區(qū)半徑R0則隨之增大.當摩擦角φ 較小時,基質(zhì)吸力減小引起塑性區(qū)半徑增大的趨勢較顯著.

    非飽和黃土隧道的支護力對于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有極大的作用. 大有山隧道進口左洞ZK2 +957—ZK2 +963 處由于非飽和黃土含水量增加,基質(zhì)吸力減小,隧道所需支護力明顯增大,原襯砌所提供的支護力不能滿足要求,從而引起該處襯砌產(chǎn)生40 mm的拱頂下沉.當基質(zhì)吸力減小時,隧道塑性區(qū)半徑隨之增大,隧道周圍土體發(fā)生較大塑性變形.大有山隧道所發(fā)生的病害主要原因在于地表降雨及地表灌溉水的滲入,地表水下滲后遇到防水層的阻隔,匯集到防水層后的拱腳位置,但由于大有山隧道防排水系統(tǒng)的不完善,下滲水不能及時排走,從而引起該處產(chǎn)生較大塑性變形,隧道周圍產(chǎn)生不均勻變形,引起隧道襯砌的環(huán)向裂縫.

    3.2 試驗分析

    為分析非飽和黃土基質(zhì)吸力的變化對土體強度、應力-應變規(guī)律等方面的影響,筆者從大有山隧道選取了原狀非飽和黃土,采用非飽和土三軸儀對其進行室內(nèi)等圍壓變吸力剪切試驗.

    3.2.1 等圍壓變吸力剪切試驗

    在工地現(xiàn)場取土樣,并將其削成邊長25 cm 的立方體,標明土樣的上下方向,用塑料紙包好,運回實驗室途中盡可能保持其原狀[6]. 將原狀土制成試樣后,利用風干法調(diào)整其含水率為8%,由常規(guī)三軸儀、常規(guī)土工試驗可測得試樣的基本物理參數(shù)為:天然含水率w =10.3%,塑性指數(shù)Ip=8.0,比重Gs=2.7,有效黏聚力c=12.0 kPa,摩擦角φ=32°.

    試驗儀器為FSY10-2 型應力應變非飽和三軸儀.利用專用削土器削樣,共制備8 個原狀三軸試樣(直徑為3.9 cm,高度為8.0 cm),試驗共進行8 組.將試樣安裝在三軸壓力室后,對試樣施加圍壓和氣壓,所施加的氣壓應能使量測的孔隙水壓力大于零,圍壓值應在氣壓值的基礎(chǔ)上加上試驗所要求的凈圍壓值.當孔隙水壓力傳感器的讀數(shù)保持穩(wěn)定時,讀取所施加的氣壓值ua、孔隙水壓力uw,則土樣的基質(zhì)吸力S=ua-uw.在固結(jié)剪切過程中,通過調(diào)整所加氣壓,可以改變作用在試樣上的基質(zhì)吸力.

    3.2.2 試驗結(jié)果分析

    試驗中,圍壓取定值150 kPa,基質(zhì)吸力取變值分別為50,100,150,200 kPa,所得等圍壓變吸力條件下的非飽和黃土的應力-應變規(guī)律及強度參數(shù)變化趨勢如圖2—4 所示.

    圖2 等圍壓變吸力條件下土體應力-應變關(guān)系

    圖3 土體黏聚力隨基質(zhì)吸力的變化趨勢

    圖4 土體摩擦角隨基質(zhì)吸力變化趨勢

    由圖2可以看出,當圍壓保持一定時,基質(zhì)吸力越大,土體產(chǎn)生相同應變所需的應力越大;在試驗加載的初始階段,應力增加趨勢較明顯,最后逐漸趨于平穩(wěn).

    由圖3可以看出,當基質(zhì)吸力較小時,黏聚力隨吸力增大而明顯增大;當基質(zhì)吸力較大時,黏聚力增大的趨勢逐漸趨于平穩(wěn).

    由圖4可以看出,當基質(zhì)吸力為0 ~100 kPa時,摩擦角隨基質(zhì)吸力的增加而明顯減小,其減小趨勢明顯;當基質(zhì)吸力為100 ~200 kPa 時,摩擦角隨基質(zhì)吸力的增加而減小,但其趨勢較小,并逐步趨于平緩.

    由此可見,基質(zhì)吸力對于非飽和黃土強度的影響主要在于對有效應力c,φ 的影響. 通過對大有山隧道地表調(diào)查后發(fā)現(xiàn),隧道左線ZK2 +960 對應地表恰好位于凹陷地形處,且該地表附近分布有大量農(nóng)田.在塌方發(fā)生前一天,地表農(nóng)田進行了灌溉,且灌溉后的農(nóng)田有若干個陷穴.由此可以推斷,灌溉水經(jīng)過陷穴后下滲入隧道周圍土體,而引起非飽和黃土基質(zhì)吸力的損失,進而降低了隧道周圍土體的有效應力,影響了隧道整體穩(wěn)定性,導致隧道產(chǎn)生塌方、冒頂?shù)炔『?

    3.3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

    為進一步分析基質(zhì)吸力變化對大有山隧道受力的影響,針對其左線ZK2 +960 斷面進行了現(xiàn)場監(jiān)測.監(jiān)測主要內(nèi)容有初支-土體間壓力、二襯-初支間壓力,測試元件為JMZX-50XXBT 智能弦式數(shù)碼壓力盒,屬于埋入式通用土壓力傳感器,其量程為0.3 ~8.0 MPa,靈敏度為0.001 MPa,適用各種條件下土體內(nèi)部應力的測量,并且可以長期監(jiān)測和自動化測量.

    當監(jiān)測初支-土體間壓力時,土壓力盒的安裝埋設應將受力膜一側(cè)朝向土體;而當監(jiān)測二襯-初支間壓力時,應將受力膜一側(cè)朝向初支.監(jiān)測點布設在拱頂、左拱肩、右拱肩、左拱墻、右拱墻,且呈對稱分布,具體監(jiān)測結(jié)果如圖5—6 所示.

    圖5 初支-圍巖間壓力變化圖

    圖6 二襯-初支間壓力變化圖

    圖5中的監(jiān)測數(shù)據(jù)是塌方前后兩個月內(nèi)測得的,即2008年7月1日—2008年9月15日.從圖中可以看出,在2008年8月6日前,各測點受力較小,為200 ~550 kPa.8月9日左右,壓力值急劇增大,為8月6日前壓力值的6 ~8 倍. 其原因為當時該地表附近農(nóng)田進行了灌溉,灌溉水通過陷穴下滲到隧道的匯水區(qū)域.隧道在8月12日發(fā)生塌方,部分監(jiān)測點受到損壞,經(jīng)過10 余天的塌方治理后,重新布設監(jiān)測點,其壓力值逐步下降,最終降為最大值的50.4% ~67.8%,并逐漸趨于穩(wěn)定.

    圖6中的監(jiān)測數(shù)據(jù)為通車運營1 a 左右測得,即2010年6月15日—2010年8月18日,在6月15日—7月10日期間,隧道二襯與初支間壓力值普遍較小.在7月10日左右,拱頂、左拱肩、右拱肩部位的壓力值急劇增大,為7月9日前壓力值的5 ~6 倍,而左、右側(cè)拱墻處壓力值基本保持不變.其原因為7月10日前兩天該地區(qū)出現(xiàn)強降雨,地表水下滲,二襯與初支間的防排水系統(tǒng)不暢,引起非飽和黃土基質(zhì)吸力的損失,從而導致該處裂縫的急劇發(fā)展.經(jīng)處理,及時將下滲水排走后,拱頂、左拱肩、右拱肩部位的壓力值逐漸恢復到原值,裂縫的發(fā)展得到控制.

    4 大有山隧道病害防治措施

    大有山隧道病害的主要原因在于地表降雨及地表灌溉水的滲入,由于大有山隧道的防、排水效果欠佳,導致非飽和黃土體中含水量增加,其基質(zhì)吸力減小、土體強度降低,且該處黃土具有一定的濕陷性,從而引起隧道的拱頂下沉、環(huán)形開裂等病害.故非飽和黃土隧道設計中應考慮其基質(zhì)吸力損失引起的不利影響,從而獲取準確的非飽和黃土物理力學指標作為設計參數(shù),提高其防、排水設計等級.

    大有山隧道病害治理工作的重點在于對滲漏水的治理,所采取的治理措施如下:①查找并切斷水源,對于其地表農(nóng)田應該退耕還林,避免灌溉水的入滲,同時使得降雨、降雪等地表水下滲量減少,該方法為主動防水及大面積防水[7];②對于存在空洞、陷穴的地層,應采用水泥漿液或化學漿液進行地表注漿;③對于洞頂?shù)乇砹芽p,可沿裂縫走向開挖深1.0 m、寬0.5 m 的溝槽,然后用素土夯實回填密實至地表,并修筑土壟高出地面,從而切斷地表水下滲通道,形成隔水層,保護非飽和黃土免受滲水影響,減小了基質(zhì)吸力的損失[8];④對于已發(fā)生的襯砌裂縫,若裂縫寬度小于5 mm,則采用環(huán)氧樹脂嵌補即可;若裂縫寬度大于5 mm,應在二襯上鑿出20 cm×25 cm 的凹槽,嵌入全封閉工字鋼鋼架,鋼架間距為1 榀/m,最后用膨脹水泥進行填補,使其與原有二襯成為整體,從而增加支護結(jié)構(gòu)的剛度和強度,提高隧道整體的穩(wěn)定性.

    5 結(jié) 語

    在分析非飽和黃土工程特性的基礎(chǔ)上,結(jié)合大有山隧道工程實例,利用數(shù)學模型、室內(nèi)試驗等手段分析基質(zhì)吸力的變化與隧道病害存在的內(nèi)在聯(lián)系,得出以下結(jié)論.

    1)當非飽和黃土基質(zhì)吸力隨著含水量的增加而減小時,隧道內(nèi)部所需支護力則隨之增大.

    2)當非飽和黃土基質(zhì)吸力隨著含水量的增加而減小時,塑性區(qū)半徑R0則隨之增大;當摩擦角φ較小時,基質(zhì)吸力減小引起的塑性區(qū)半徑增大的趨勢較顯著.

    3)由于受地表水下滲影響,大有山隧道周圍土體基質(zhì)吸力減小,塑性區(qū)半徑增大,所需支護力增大,導致其發(fā)生拱頂下沉、塌方、襯砌開裂等病害.

    4)通過采取退耕還林、地表注漿、素土夯實回填、襯砌裂縫處理等一系列措施對大有山隧道病害進行處治,效果良好.

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