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      隧道洞周土體加固條件下壓力拱分布規(guī)律試驗研究

      2014-07-30 02:12:20邢心魁張家文
      鐵道建筑 2014年7期
      關(guān)鍵詞:壓力計環(huán)向徑向

      邢心魁,張家文

      (1.桂林理工大學(xué)廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心,廣西桂林 541004;2.建材桂林地質(zhì)工程勘察院,廣西桂林 541002)

      地下洞室開挖后,初始重力場分布發(fā)生改變,開挖面周圍一定厚度范圍內(nèi)圍巖中主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),其最大主應(yīng)力流線形成一個環(huán)狀體[1-4],這就是壓力拱。壓力拱雖具有結(jié)構(gòu)拱的一些特性,但它不像結(jié)構(gòu)拱那樣“看得見,摸得著”并“主動存在”[5-9]。壓力拱是由于洞室開挖而被動形成的,受隧道施工的影響較大,容易發(fā)生塌落等問題。采用錨桿加固圍巖土體,能夠使圍巖的強度大幅增加,容易形成穩(wěn)定的壓力拱[10-12]。由于地下工程的隱蔽性,施工方法的多變性,錨桿支護作用對圍巖壓力拱效應(yīng)的影響的現(xiàn)場試驗研究資料較少,因此,開展無錨桿和有錨桿壓力拱的大尺度模型試驗研究對壓力拱理論發(fā)展和工程應(yīng)用都具有重要意義。

      1 模型試驗

      1.1 試驗原理

      模型試驗采用人工堆砂模擬圍巖,采用鐵絲作為洞周土體加固材料,用來模擬錨桿。在圍巖堆填過程中,按照設(shè)定位置埋置土壓力計,并在設(shè)定位置放置鐵絲模擬錨桿。用事先置入土體的充水圓環(huán)狀橡膠內(nèi)胎模擬隧道洞體,通過控制胎內(nèi)壓力水頭的大小模擬隧道襯砌的不同支護力。通過卸載支護力來模擬隧道開挖過程,分階段卸載圍巖支護力,量測無錨桿和有錨桿時圍巖每一階段的土壓力數(shù)值,經(jīng)對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,研究壓力拱拱體在荷載釋放過程中的動態(tài)變化規(guī)律以及圍巖加固作用對壓力拱效應(yīng)的影響。

      1.2 試驗方法

      1.2.1 模型尺寸

      根據(jù)相似理論和實際試驗條件,堆載模型體垂直方向深度為1.2 m,平面堆載尺寸為頂部直徑3.3 m,底部直徑4.0 m的圓臺體。洞室形狀近似為圓形,直徑0.34 m,模擬開挖路徑為與堆載模型上下表面平行的圓,整個圓環(huán)直徑1.4 m,圓心處于模型底部中心。試驗過程中,洞體和圍巖受力狀態(tài)保持為平面應(yīng)力狀態(tài)。土體堆載模型如圖1所示。

      圖1 土體堆載整體模型

      1.2.2 堆載試驗?zāi)P偷闹谱?/p>

      1)模型體密度控制

      圍巖密度對壓力拱特性有重要影響,為此在圍巖堆填過程中按預(yù)定的夯填方案填筑,以保證填料密實均勻,并達到預(yù)設(shè)密實度要求。

      2)洞周土體物理力學(xué)參數(shù)量測

      圍巖物理力學(xué)參數(shù)對壓力拱特性有重要影響,為此對純砂與加筋砂進行大型直剪試驗,測定不同圍巖的力學(xué)參數(shù),結(jié)果如表1所示。

      表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

      3)土壓力計的布置

      無錨桿土壓力計在測試斷面上的位置按照極坐標分布如圖2所示。設(shè)計一條豎直方向測線,測線上自內(nèi)向外在不同位置設(shè)觀測點;相鄰觀測點間隔5 cm,每個觀測點埋設(shè)兩只土壓力計,一只沿徑向埋設(shè),另一只沿環(huán)向埋設(shè)。

      圖2 土壓力計斷面布置示意(單位:mm)

      有錨桿時土壓力計埋設(shè)位置與無錨桿時基本相同,但由于錨桿的影響,土壓力計從加固區(qū)范圍之外開始埋設(shè),并在隧道與圍巖接觸處埋設(shè)一只壓力計,量測徑向壓力,以便分析加固前后洞壁圍巖應(yīng)力變化情況。

      在各部分土體堆載夯實過程中,按照土壓力計極坐標位置,通過測設(shè)儀器進行定位放樣。在同一個觀測點埋設(shè)徑向和環(huán)向兩只土壓力計很不方便,量測時相互影響,因此,考慮到土壓力分布的對稱性,實際埋設(shè)時將兩類壓力計安放到不同斷面。

      4)土體加固設(shè)計

      無錨桿時的松動圈厚約15 cm,據(jù)此將圍巖加固鐵絲長度設(shè)計為30 cm,鐵絲直徑為1.5 mm。根據(jù)均勻分布原則,鐵絲環(huán)向間距×縱向間距=5 cm×6 cm,布置鐵絲總根數(shù)為26×17=442根。

      土體加圍設(shè)計與壓力計布置如圖3所示。

      1.2.3 初始應(yīng)力量測及洞室開挖

      試驗裝置安裝完畢后的應(yīng)力狀態(tài)相當于天然狀態(tài)。讀取各壓力計讀數(shù),根據(jù)各壓力計初始讀數(shù)和標定系數(shù)即可得初始環(huán)向和徑向土壓力。隨后將洞室分15次開挖,每一荷載步卸載10 cm水頭(1 kPa),記錄相應(yīng)土壓力數(shù)值。

      圖3 土體加固設(shè)計與壓力計布置示意

      2 試驗結(jié)果分析

      為了重點研究圍巖加固前后壓力拱的變化規(guī)律,對洞周土體應(yīng)力變化選取具有代表性的荷載步3,5,9和11進行分析。分析壓力拱邊界時選取具有代表性的荷載步11。為了便于分析洞壁處應(yīng)力變化情況,采用全部模擬開挖步對應(yīng)的應(yīng)力值。

      2.1 洞壁處徑向應(yīng)力變化(圖4)

      圖4 洞壁處徑向應(yīng)力變化

      圖4表明,洞周土體未加固時,洞壁處圍巖卸荷速度較快,在荷載步5時圍巖卸荷基本結(jié)束;而洞周土體在加固條件下(圍巖c,φ值增大),圍巖強度增加,使得洞壁處圍巖卸荷速度減小,直至荷載步11時,卸荷才基本完成。

      2.2 拱頂環(huán)向應(yīng)力分析

      荷載步15時拱頂環(huán)向應(yīng)力變化曲線見圖5。

      圖5 荷載步15時拱頂環(huán)向應(yīng)力變化曲線

      由圖5可知:洞周未加固時,隨著支護應(yīng)力不斷減小,環(huán)向應(yīng)力不斷變化。在荷載步15,環(huán)向應(yīng)力在洞頂處為1.73 kPa,小于初始環(huán)向應(yīng)力(7.28 kPa);隨著距洞壁距離增大環(huán)向應(yīng)力逐漸增大,在距洞頂約15 cm處與初始環(huán)向應(yīng)力直線相交,應(yīng)力為5.92 kPa,在距洞頂25 cm處增大至峰值8.12 kPa,此后隨著遠離洞頂而逐漸減小直至60 cm處基本趨近于初始環(huán)向應(yīng)力,說明洞室開挖影響范圍在60 cm左右。

      在0~15 cm區(qū)域圍巖應(yīng)力已經(jīng)低于初始環(huán)向應(yīng)力,并隨著距洞壁距離的減小,環(huán)向應(yīng)力越來越小,說明洞周圍巖進入塑性狀態(tài),失去了承載能力,不能作為壓力拱拱體承載區(qū),因此距離洞壁15 cm處可作為壓力拱內(nèi)邊界分界點。

      在15~60 cm,環(huán)向應(yīng)力相對于初始環(huán)向應(yīng)力是增大的,只是增大幅度不同而已,說明15~60 cm為壓力拱拱體范圍,這部分圍巖均有承載能力。

      洞周加固條件下,隨著支護應(yīng)力不斷減小,環(huán)向應(yīng)力也在不斷變化,在所測范圍內(nèi)變化趨勢與未加固時基本一致,不同的是在距洞頂40 cm處增大至峰值7.46 kPa,洞室開挖影響范圍擴大至75 cm左右。

      2.3 不同開挖步對圍巖的影響

      為了便于分析,加固和未加固圍巖條件下測試數(shù)據(jù)采用距洞壁30~80 cm區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)。兩種工況下部分荷載步拱頂應(yīng)力變化曲線見圖6。由圖6(a)、圖6(b)可知,當洞周土體未加固時,圍巖徑向應(yīng)力隨著洞體內(nèi)壓力的卸載而不斷減小,洞周土體未加固時,模擬開挖至9步以后,應(yīng)力減小的幅度降低;環(huán)向應(yīng)力在洞壁處逐漸變小,隨著距洞壁距離的增加,應(yīng)力不斷增加;當模擬開挖至9步以后,應(yīng)力也基本保持不變。由圖6(c)、圖6(d)可知,洞周土體加固后應(yīng)力變化趨勢與未加固時基本一致,不同的是,其應(yīng)力變化要慢,應(yīng)力值基本保持不變是在模擬開挖至11步以后。

      圖6 未加固、加固兩種工況下部分荷載步拱頂應(yīng)力變化曲線

      圖7 荷載步15應(yīng)力變化曲線

      荷載步15應(yīng)力變化曲線見圖7。由圖7可知,由于支護力的卸荷,在40 cm以內(nèi),洞周未加固時應(yīng)力變化較加固條件下大,40~75 cm應(yīng)力變化較小。30~60 cm洞周加固后圍巖環(huán)向應(yīng)力變化率不斷增加,而在60~75 cm是減小的;洞周未加固時,環(huán)向應(yīng)力變化率不斷減小。

      2.3.1 不同開挖步對未加固時壓力拱的影響

      由圖6(c)可知,從荷載步3至荷載步9時,拱體內(nèi)邊界從距洞壁10 m發(fā)展至15 cm,外邊界從距洞壁45 cm發(fā)展至60 cm;壓力拱拱體厚度從35 cm發(fā)展至45 cm。這說明壓力拱拱體內(nèi)外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移,逐漸遠離隧洞洞壁,最終達到厚度為45 cm左右的穩(wěn)定壓力拱拱體。

      2.3.2 不同開挖步對加固作用下壓力拱的影響

      由圖6(d)可知,從荷載步3至荷載步9時,壓力拱外邊界從距洞壁60 cm發(fā)展至75 cm,說明壓力拱拱體內(nèi)外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移,逐漸遠離隧洞洞壁,最大主應(yīng)力峰值位置從距洞壁30 cm移至40 cm,說明塑性范圍隨著支護壓力的減小而不斷擴大。

      2.3.3 兩種圍巖參數(shù)條件下的對比分析

      由圖6(c)、圖6(d)可知,洞周土體在加固后,開挖卸載支護力影響范圍要較未加固時大,從60 cm擴大至75 cm;兩者相比,加固后圍巖變形塑性區(qū)范圍擴大,從原來的25 cm增至40 cm,最大主應(yīng)力從8.16 kPa減小至7.46 kPa,說明加固作用對圍巖影響范圍增加了,同時增大了圍巖的承載能力。

      由圖7可知,土體加固后,在距洞壁30~60 cm圍巖環(huán)向應(yīng)力增長率在不斷增加,在60~80 cm圍巖壓力增長率減小,最終接近圍巖初始應(yīng)力值;未加固時,圍巖壓力雖然在增加,但增加的幅度不斷減小,最終在60 cm處接近圍巖初始應(yīng)力值。這說明加固后距洞壁30~80 cm圍巖不僅僅承受上部荷載釋放的力,還承受由于加固措施約束塑性區(qū)變形破壞而產(chǎn)生的力;而未加固時圍巖只承受上部荷載釋放的力。

      伴隨著支護力的不斷卸載,圍巖徑向應(yīng)力不斷減小,在30~40 cm區(qū)域加固后圍巖徑向應(yīng)力的減小率要快于未加固時;40~60 cm區(qū)域加固后圍巖徑向應(yīng)力的減小率要緩于未加固時。

      從變化率的角度判斷,未加固時圍巖開挖影響范圍為65 cm;加固后圍巖開挖影響范圍為75 cm。

      3 結(jié)論

      1)洞周圍巖力學(xué)參數(shù)的增加使得洞壁處徑向應(yīng)力卸載速率減小得非???,卸載完成所需時間基本是洞周土體未加固時的2倍左右。

      2)洞室開挖后,圍巖徑向應(yīng)力減小,環(huán)向應(yīng)力在承載塑性區(qū)范圍及以外開挖影響范圍相對于初始環(huán)向應(yīng)力是增加的,通過分析應(yīng)力分布曲線,把環(huán)向應(yīng)力達到初始環(huán)向應(yīng)力的點作為壓力拱的內(nèi)、外邊界的分界點;把環(huán)向應(yīng)力高于初始環(huán)向應(yīng)力的區(qū)域,作為壓力拱的拱體范圍。

      3)本次試驗條件下,洞周土體未加固時壓力拱拱體內(nèi)外邊界隨著支護壓力的減小而不斷上移,最終穩(wěn)定壓力拱拱體厚度約為1.3倍洞徑,松動區(qū)厚度約為洞徑的1/3。

      4)由于洞周加固作用,圍巖應(yīng)力通過加固材料向圍巖加固區(qū)以外區(qū)域傳遞,致使圍巖塑性變形范圍從25 cm發(fā)展至40 cm。圍巖的彈性變形區(qū)域變小,從35 cm減至30 cm。由于圍巖力學(xué)參數(shù)的改變使得拱體外邊界上移至75 cm處。

      5)隧洞開挖前期,洞周土體未加固時的應(yīng)力釋放較加固后快,且環(huán)向應(yīng)力增長較快,穩(wěn)定壓力拱拱體形成較快。洞周土體在加固后能夠承擔更多的圍巖應(yīng)力,但是形成穩(wěn)定壓力拱時間較長。

      6)洞周圍巖的c,φ值的增加使得壓力拱的拱體范圍增大至純砂土條件下的1.3倍左右,并且提升了圍巖的承載能力。這表明通過提高隧道洞周圍巖力學(xué)參數(shù)模擬錨桿支護的方式是可行的,提高圍巖的c,φ值可以較好地達到加固圍巖的目的,對工程設(shè)計具有一定的參考價值。

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