干濕交替條件下膨脹圍巖隧道的力學(xué)性態(tài)研究

楊軍平，王沾義，唐　偉，李盛南

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林　541004; 2.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林　541004)

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干濕交替條件下膨脹圍巖隧道的力學(xué)性態(tài)研究

楊軍平2，王沾義1，唐偉1，李盛南1

(1.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004; 2.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004)

摘要:以廣西南寧膨脹土為圍巖材料，制作室內(nèi)膨脹圍巖隧道物理模型。通過(guò)對(duì)隧道模型進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，得出圍巖在吸水及失水條件下的圍巖應(yīng)力－時(shí)間關(guān)系曲線及襯砌應(yīng)變－時(shí)間關(guān)系曲線。試驗(yàn)認(rèn)為在吸水過(guò)程中大部分測(cè)點(diǎn)的圍巖壓力都經(jīng)歷了增長(zhǎng)、減小、不同速率的再增長(zhǎng)3個(gè)階段。襯砌變形則經(jīng)歷緩慢增長(zhǎng)、急劇增長(zhǎng)、急劇減小、微增長(zhǎng)4個(gè)階段;在失水過(guò)程中，從整體上可以將圍巖壓力變化分為兩部分，即圍巖失水收縮致使襯砌和圍巖的接觸壓力下降導(dǎo)致圍巖應(yīng)力值減小以及土體收縮產(chǎn)生收縮應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力監(jiān)測(cè)值增大。并分析這種變化規(guī)律的形成機(jī)理，證明時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)的存在。為今后膨脹圍巖隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工優(yōu)化提供一定的理論參考。

關(guān)鍵詞:膨脹圍巖;隧道模型;干濕循環(huán);圍巖壓力;襯砌變形

膨脹土是一種特殊土，由于其含蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物較多，故其物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)對(duì)水分的變化極為敏感［1］，氣候敏感性較為強(qiáng)烈［2］。尤其在干濕交替的情況下，膨脹土表現(xiàn)出顯著的脹縮特性，它遇水膨脹軟化，失水收縮開(kāi)裂，工程特性變化強(qiáng)烈，強(qiáng)度的“變動(dòng)”特性［3-4］明顯。

就目前而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膨脹性巖土的研究投入了大量的精力，獲得了較為豐富的學(xué)術(shù)成果，尤其在膨脹土干濕循環(huán)的研究方面。呂海波等［5］以南寧原狀膨脹土為對(duì)象開(kāi)展了干濕循環(huán)試驗(yàn)，得出了該土隨循環(huán)次數(shù)的遞增，其抗剪強(qiáng)度逐漸衰減直至趨于穩(wěn)定的結(jié)論。曾召田等［6］對(duì)膨脹土開(kāi)展干濕交替條件下孔徑大小分布規(guī)律的研究，得出隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展，土的微結(jié)構(gòu)參數(shù)表現(xiàn)出遞增趨勢(shì)的結(jié)論。BASMA等［7］對(duì)4種重塑膨脹土開(kāi)展了干濕循環(huán)試驗(yàn)，指出循環(huán)次數(shù)的增加，土的抗剪強(qiáng)度降低，脹縮特性減弱。

但是，目前還未見(jiàn)有關(guān)膨脹巖土地區(qū)隧道工程方面較為系統(tǒng)且全面的研究。并且已有的研究成果中還有不少是以相似材料來(lái)替代工程實(shí)際的圍巖材料來(lái)開(kāi)展試驗(yàn)的，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性嚴(yán)重依賴(lài)于配置的相似材料。另外，當(dāng)隧道穿越膨脹巖土這種特殊的地質(zhì)體時(shí)，其圍巖時(shí)刻在發(fā)生著水分的交換，這種交換不是恒定的而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的發(fā)展變化過(guò)程。然而這種水分的變化又難以把握，使得隧道工程建設(shè)問(wèn)題變得更加復(fù)雜，難以琢磨，由此常引發(fā)各種工程事故。如梅七線的崔家溝隧道、青藏線關(guān)角隧道、西延線九燕山隧道等都是由膨脹性圍巖引起襯砌出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂、道床變形等破壞現(xiàn)象［8］。這些后果主要是由于我們對(duì)膨脹圍巖吸水膨脹和失水收縮的脹縮特性認(rèn)識(shí)不足以及對(duì)干濕循環(huán)效應(yīng)引起的圍巖應(yīng)力重分布缺乏科學(xué)的研究分析而導(dǎo)致。鑒于此，開(kāi)展干濕交替條件下膨脹圍巖隧道的力學(xué)性態(tài)研究是具有一定科學(xué)意義和實(shí)際工程價(jià)值的。

本試驗(yàn)選取廣西南寧地區(qū)的膨脹土為圍巖材料，制作了室內(nèi)膨脹圍巖隧道物理相似模型。通過(guò)對(duì)隧道模型的干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究和分析試驗(yàn)中所采集到的圍巖應(yīng)力變化值和襯砌應(yīng)變變化值，得出在干濕條件下圍巖壓力和襯砌變形的發(fā)展變化規(guī)律和形成機(jī)理。

1　地質(zhì)及氣象資料

本模型試驗(yàn)針對(duì)廣西地區(qū)膨脹性巖土地質(zhì)體及炎熱多雨的特殊氣候環(huán)境條件而開(kāi)展的，為了研究該條件下膨脹性圍巖干濕循環(huán)的普遍性問(wèn)題，本試驗(yàn)不選取某一具體隧道工程為研究原型，而是以公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG/T D70—2010)［9］為參考，按一般淺埋隧道的情況考慮。廣西地區(qū)膨脹土分布廣、種類(lèi)較多。其中，寧明、百色和南寧盆地一帶主要由第三系湖相沉積泥巖、粉質(zhì)砂巖及其風(fēng)化殘積物形成;桂林、柳州和來(lái)賓以及南寧盆地東南緣、武鳴等巖溶盆地或丘陵地區(qū)則主要由碳酸鹽巖經(jīng)風(fēng)化殘積形成。另外，廣西地處亞熱帶地區(qū)，炎熱多雨，極端氣溫發(fā)生在八月，氣溫為39℃;降雨量時(shí)空分布不均，4～9月降雨充沛，11～2月降雨稀少;干濕季節(jié)分明，夏濕冬干。因此極易造成膨脹土的干濕循環(huán)效應(yīng)。在隧道埋深較淺，節(jié)理較發(fā)育的情況下，處于降雨量充沛季節(jié)時(shí)，大氣降雨極易滲入，導(dǎo)致巖體吸水含水率增大圍巖發(fā)生膨脹。在天氣干燥雨水枯竭的季節(jié)，又由于太陽(yáng)輻射，蒸發(fā)風(fēng)干帶走巖體水分，致使含水率降低圍巖產(chǎn)生收縮。

2　模型試驗(yàn)

2.1模型箱設(shè)計(jì)

圖1　模型箱

模型箱由角鋼和10 mm厚鋼板共同組成，其主要用于隧道模型的成型及作為后期干濕循環(huán)過(guò)程中隧道的邊界約束條件。本試驗(yàn)?zāi)M的是平面應(yīng)變問(wèn)題，故模型箱沿隧道縱向方向的厚度僅為40 cm。另外，模型隧道直徑設(shè)計(jì)為15 cm，考慮到影響圍巖變形的范圍為3～5倍洞徑區(qū)域以及考慮到取土和模型夯筑的難易程度等因素，綜合衡量后確定其他兩個(gè)方向凈空尺寸為:110 cm×110 cm，模型箱實(shí)物如圖1所示。此外，在模型箱頂板和底板上，各鉆取不同數(shù)量直徑為1 cm的圓孔，以便在對(duì)膨脹圍巖進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M降雨的過(guò)程中起到降雨入滲及排水的作用。

2.2圍巖材料

試驗(yàn)用圍巖材料全為膨脹土，取自廣西南寧畜牧研究所水牛養(yǎng)殖場(chǎng)附近。以膨脹土做圍巖材料的最大優(yōu)勢(shì)就是可以消除相似材料與實(shí)際工程材料之間的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。其取土深度為50～70 cm，外觀棕黃色，呈硬塑狀態(tài)，并夾有灰白色黏土，含水量較大。其基本物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1，其中密度、摩擦角、凝聚力是在ρd=1.65 g/cm3和ω=27.8%的情況下而得。并根據(jù)文獻(xiàn)［9］中各級(jí)土質(zhì)圍巖的基本物理力學(xué)參數(shù)表可知為Ⅴ級(jí)圍巖。再按膨脹土膨脹潛勢(shì)分類(lèi)，可知該土為弱膨脹土。

表1　材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及測(cè)試元件

試驗(yàn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀跟電腦連接來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖壓力及襯砌應(yīng)變的自動(dòng)連續(xù)采集。采集儀為DH3818－2高速靜態(tài)應(yīng)變儀，見(jiàn)圖2。該應(yīng)變儀廣泛用于土木、交通、機(jī)械等領(lǐng)域。若連接合適的傳感器，還可進(jìn)行壓力、溫度等物理量的測(cè)量。該儀器測(cè)試應(yīng)變范圍±19 999 με;分辨率為1 με;自動(dòng)平衡范圍±15 000 με;靈敏度系數(shù)K=2。

圖2　應(yīng)變測(cè)試儀

土壓力盒采用長(zhǎng)沙翔昊電子科技有限公司生產(chǎn)的XHZ－4XXX系列電阻應(yīng)變式土壓力盒，見(jiàn)圖3，其和DH3818－2采用全橋方式連接。土壓力盒外觀尺寸為Φ30×13 mm，量程為0.3 MPa，分辨率為≤0.05%F· S。該系列土壓力盒具有較高靈敏度、體積小等特點(diǎn)。常應(yīng)用于隧道等地下結(jié)構(gòu)工程動(dòng)、靜態(tài)的測(cè)試。由于其體積小在室內(nèi)較小比例的模型試驗(yàn)中更是得到較為廣泛的應(yīng)用。

圖3　土壓力盒及應(yīng)變片

本試驗(yàn)采用應(yīng)變片法對(duì)隧道襯砌應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)用應(yīng)變片均為浙江黃巖儀器測(cè)試廠生產(chǎn)的電阻應(yīng)變片，見(jiàn)圖3。型號(hào)為BX120—5AA，尺寸規(guī)格為5 mm×3 mm，電阻值為(119.7±0.1)Ω，靈敏系數(shù)為(2.08±1) %。其通過(guò)1/4橋的方式和DH3818－2連接。

2.4隧道模型成型

將取回的膨脹土經(jīng)翻曬、風(fēng)干、碾細(xì)、過(guò)2 mm篩等工序后，烘干稱(chēng)重測(cè)得風(fēng)干含水率，并采取分層灑水、均勻混合的方式配置所需含水率的重塑土。同時(shí)，考慮到在密實(shí)度越高和含水率越低的情況下，膨脹圍巖膨脹效果越明顯［10］等因素，以最優(yōu)含水率和最大干密度為參考，最終按控制干密度為1.65 g/cm3和實(shí)測(cè)重塑土含水率為27.8%的參數(shù)對(duì)隧道模型的圍巖材料進(jìn)行夯筑。

圍巖材料夯實(shí)前，在模型箱各內(nèi)壁面均勻涂抹一層凡士林。一方面可以減小圍巖與模型箱側(cè)壁的摩擦，減小試驗(yàn)誤差;另一方面方便模型箱前側(cè)板的拆卸，保持模型表面平整。然后再在模型箱底部鋪一層土工布，以防止在夯實(shí)及干濕循環(huán)過(guò)程中，圍巖材料沿圓孔流出模型箱外。根據(jù)控制干密度和重塑土的實(shí)測(cè)含水率計(jì)算每層夯筑所需的土量，通過(guò)人工分層夯實(shí)，每2 cm厚為一層。

模型夯筑過(guò)程中，按預(yù)先設(shè)計(jì)好的測(cè)點(diǎn)位置，將各個(gè)土壓力盒依次埋設(shè)于相應(yīng)位置。因模型及試驗(yàn)條件為左右對(duì)稱(chēng)，故只對(duì)右側(cè)圍巖進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。各測(cè)點(diǎn)分布位置及數(shù)量和土壓力盒的埋設(shè)如圖4所示，其中測(cè)點(diǎn)1距離模型底為35 cm，測(cè)點(diǎn)7距離模型頂為50 cm。整體夯筑完畢后，蓋上頂板并在頂板上均勻施加約2 kN的靜載，換算成土層厚度相當(dāng)于1.5倍隧道直徑的厚度。施加靜載后，自然條件下靜置3 d，待圍巖壓力發(fā)展穩(wěn)定后，開(kāi)始下一道工序。

2.5隧道開(kāi)挖

根據(jù)圍巖級(jí)別、斷面尺寸及隧道的埋置深度等因素，選取全斷面方式開(kāi)挖。開(kāi)挖方法為人工開(kāi)挖，共分為20個(gè)開(kāi)挖段，每段進(jìn)尺2 cm。隧道開(kāi)挖見(jiàn)圖5所示。

圖4　圍巖壓力測(cè)點(diǎn)分布及土壓力盒埋設(shè)(單位:cm)

圖5　隧道模型洞室開(kāi)挖

襯砌的設(shè)計(jì)是考慮到在軟巖隧道中圓形截面受力較為均勻，可充分發(fā)揮襯砌結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度的因素而選取圓形截面作為隧道的斷面形式。并選取1 mm厚白鐵皮作為襯砌材料，自制加工成直徑為15 cm洞室形狀的圓形封閉鐵管。同時(shí)在沿隧道縱向20 cm處于襯砌外側(cè)粘貼電阻應(yīng)變片，其粘貼位置和土壓力盒的埋設(shè)位置相對(duì)應(yīng)。粘貼好后，用紗布浸泡環(huán)氧樹(shù)脂膠對(duì)應(yīng)變片做防水處理。隧道開(kāi)挖后，洞室周邊圍巖的邊界條件發(fā)生改變導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布，此時(shí)應(yīng)適時(shí)將襯砌施作于隧道內(nèi)，以防止圍巖位移過(guò)大導(dǎo)致隧道坍塌。成型后的模型如圖6所示。

圖6　成型后隧道模型

3　干濕循環(huán)試驗(yàn)

本試驗(yàn)的干濕循環(huán)過(guò)程是通過(guò)人工從模型頂部向圍巖灌水的方法來(lái)達(dá)到降雨入滲的效果，以模擬吸水膨脹軟化過(guò)程，通過(guò)常溫下電風(fēng)扇送風(fēng)的方法達(dá)到水分蒸發(fā)的效果，以模擬失水干縮開(kāi)裂過(guò)程。

其中吸水膨脹過(guò)程的模擬從2014年12月20日9點(diǎn)37分至2015年1月2日09點(diǎn)00分，歷時(shí)約312 h，采集數(shù)據(jù)共312組。試驗(yàn)?zāi)M降雨為大雨，日均降雨量為40 mm，降雨過(guò)程平穩(wěn)。在整個(gè)過(guò)程中，對(duì)圍巖應(yīng)力變化值及襯砌應(yīng)變變化值進(jìn)行全程連續(xù)的實(shí)時(shí)采集，采集頻率設(shè)為1次/h。在該過(guò)程后期，待24 h內(nèi)的數(shù)據(jù)變化小于5%，則認(rèn)為圍巖達(dá)到飽和及圍巖壓力趨于穩(wěn)定，該過(guò)程結(jié)束，關(guān)閉采集系統(tǒng)。但為不影響干縮過(guò)程的開(kāi)始，降雨繼續(xù)，以保持圍巖應(yīng)力狀態(tài)不變。失水干縮過(guò)程的模擬從2015年1月3日10點(diǎn)00分至2015年1月17日9點(diǎn)30分，歷時(shí)約336 h，采集頻率為1次/h，采集數(shù)據(jù)共336組。此外，在各過(guò)程開(kāi)始采集前，應(yīng)對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行平衡操作，以使各測(cè)點(diǎn)初始值為零。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分為圍巖吸水和失水兩個(gè)階段，各階段經(jīng)歷的時(shí)間不同，初始含水率狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)也均不同。其中圍巖應(yīng)力及襯砌應(yīng)變的監(jiān)測(cè)均為7個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)電阻應(yīng)變式土壓力盒來(lái)測(cè)得各測(cè)點(diǎn)處的圍巖應(yīng)力變化值，通過(guò)電阻式應(yīng)變片來(lái)測(cè)得襯砌上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化值。其中土壓力盒所采集的數(shù)據(jù)已按出廠標(biāo)定系數(shù)換算成應(yīng)力值。

4.1吸水過(guò)程

在該過(guò)程中，對(duì)圍巖應(yīng)力及襯砌應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)共312組，其結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。

圖7　降雨過(guò)程圍巖各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力－時(shí)間關(guān)系曲線

由圖7可知，降雨過(guò)程各測(cè)點(diǎn)的圍巖應(yīng)力變化值波動(dòng)較為明顯。從變化趨勢(shì)來(lái)看，大部分測(cè)點(diǎn)都經(jīng)歷增長(zhǎng)、減小、不同速率的再增長(zhǎng)3個(gè)階段。造成這種規(guī)律的原因是多方面的，它是一個(gè)隨時(shí)間變化而變化的復(fù)雜交替的發(fā)展過(guò)程。但其主要原因是由于入滲水從模型頂部向下滲流，洞室上部區(qū)域圍巖吸水后產(chǎn)生膨脹形成膨脹壓力使得圍巖壓力緩慢增長(zhǎng);當(dāng)入滲水到達(dá)洞室頂部區(qū)域時(shí)，圍巖吸水后出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，圍巖拱效應(yīng)減弱，壓力拱作用減小［11-13］，致使本身具有一定承載能力的圍巖反而轉(zhuǎn)變成一種荷載，造成圍巖壓力的繼續(xù)增大;隨著水流的繼續(xù)滲透，測(cè)區(qū)內(nèi)圍巖吸水軟化，結(jié)構(gòu)性降低，對(duì)測(cè)試元件的握裹力減小，導(dǎo)致采集到的數(shù)值減小;最后當(dāng)水流滲透到測(cè)點(diǎn)下部區(qū)域后，由于各測(cè)點(diǎn)所處位置不同，圍巖吸水膨脹對(duì)各測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力值將有不同程度的增大影響。從數(shù)值大小方面來(lái)看，圍巖應(yīng)力變化值在±30 kPa之間，變化范圍較小。造成這種現(xiàn)象的因素是多重的，其中最主要的是在于:(1)本試驗(yàn)襯砌剛度較小，當(dāng)圍巖吸水膨脹時(shí)，襯砌變形較大，不能對(duì)圍巖提供較為可靠的約束力以限制其膨脹變形; (2)模型箱也不是絕對(duì)剛性的，在吸水膨脹過(guò)程中箱體變形也會(huì)減弱圍巖的膨脹效應(yīng); (3)隧道開(kāi)挖襯砌施作后未對(duì)襯砌和圍巖的接觸面進(jìn)行有效的密實(shí)處理，導(dǎo)致接觸面存在一定的孔隙?？偨Y(jié)起來(lái)這些原因都是由于膨脹圍巖的微小變形而導(dǎo)致膨脹力的急劇減弱［14］。此外，圍巖初始含水率較高，膨脹潛勢(shì)較低也是導(dǎo)致膨脹效應(yīng)不明顯的一個(gè)主要原因。

圖8　降雨過(guò)程襯砌各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變－時(shí)間關(guān)系曲線

圖9　降雨過(guò)程圍巖關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力－時(shí)間關(guān)系曲線

為了較好地看清測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力的變化趨勢(shì)，將第1、4、7這3個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的圍巖應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線分別繪出，見(jiàn)圖11。從圖中可以看出除上述提及的總體變化趨勢(shì)外，還可以看出圍巖軟化后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增長(zhǎng)幅值的不同，其中測(cè)點(diǎn)1增長(zhǎng)幅度較小，測(cè)點(diǎn)4稍大，而測(cè)點(diǎn)7較為明顯。究其原因主要是由于測(cè)點(diǎn)1處于洞室正下方，以測(cè)區(qū)吸水軟化為分界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的圍巖應(yīng)力變化值為臨界值。大部分圍巖應(yīng)力的增長(zhǎng)出現(xiàn)在圍巖軟化前，這主要包括洞室兩側(cè)區(qū)域的圍巖材料吸水膨脹，對(duì)襯砌產(chǎn)生擠壓作用，限制襯砌變形，使得圍巖壓力增大，圍巖應(yīng)力變化值也進(jìn)一步增大。但在增大的過(guò)程中同時(shí)伴隨襯砌的豎向變形，產(chǎn)生卸荷效應(yīng)，導(dǎo)致一部分壓力有所丟失。測(cè)區(qū)軟化后，其下部圍巖膨脹效應(yīng)不明顯，圍巖應(yīng)力出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，最終穩(wěn)定值也小于臨界值。測(cè)點(diǎn)4處于洞室右側(cè)水平位置，其分界點(diǎn)前后期的圍巖增長(zhǎng)幅度基本保持一致，最終穩(wěn)定值稍小于臨界值。測(cè)點(diǎn)7處于洞室頂部，洞室兩側(cè)圍巖吸水膨脹擠壓襯砌對(duì)圍巖壓力的增長(zhǎng)作用出現(xiàn)在測(cè)區(qū)軟化后，所以其分界點(diǎn)前后期圍巖增長(zhǎng)幅度主要表現(xiàn)為前期增長(zhǎng)幅度小，后期較大，且最終穩(wěn)定值大于臨界值。另外，從圖中可以看到處于不同位置的三個(gè)測(cè)點(diǎn)在分界點(diǎn)的前期及后期圍巖應(yīng)力增長(zhǎng)的時(shí)間歷程不同，測(cè)區(qū)軟化的時(shí)間先后也各不相同。說(shuō)明在降雨入滲過(guò)程中，時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)的存在。

從圖8中可以看到，降雨過(guò)程襯砌變形大致可以分為臨界點(diǎn)前的緩慢增長(zhǎng)和急劇增長(zhǎng)，臨界點(diǎn)后的變形緩解和微增長(zhǎng)四個(gè)變形發(fā)展階段。其中第1、2、6、7四個(gè)測(cè)點(diǎn)襯砌變形表現(xiàn)為外側(cè)受壓，而第3、4、5三個(gè)測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為外側(cè)受拉。各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化值在拱效應(yīng)消失圍巖產(chǎn)生下塌位移時(shí)都出現(xiàn)不同程度的壓迫性增長(zhǎng)，而當(dāng)洞室兩側(cè)圍巖吸水膨脹后增大趨勢(shì)得到一定緩解甚至減小。再當(dāng)水滲透到洞室下部圍巖時(shí)，襯砌變形將出現(xiàn)微增長(zhǎng)，增大幅度不明顯，個(gè)別測(cè)點(diǎn)繼續(xù)保持減小趨勢(shì)。

4.2失水過(guò)程

在該過(guò)程中，采集數(shù)據(jù)共336組，其結(jié)果如圖10、圖11、圖12所示。

圖10　風(fēng)干過(guò)程圍巖各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力－時(shí)間關(guān)系曲線

從圖10可知，風(fēng)干過(guò)程各測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力變化趨勢(shì)各不相同，由于圍巖水分風(fēng)干并非從上至下，而是從模型前側(cè)面整體風(fēng)干，以至于時(shí)間效應(yīng)不明顯，規(guī)律性較差。但從整體上還是可以將圍巖應(yīng)力變化分為兩部分，即圍巖失水收縮襯砌和圍巖接觸壓力下降導(dǎo)致應(yīng)力值減小，以及土體收縮產(chǎn)生收縮應(yīng)力使得土體對(duì)土壓力盒的握裹力增大導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值增大，這兩部分同時(shí)存在且相互交替的處于發(fā)展變化中。

圖11　風(fēng)干過(guò)程襯砌各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變－時(shí)間關(guān)系曲線

圖12　風(fēng)干過(guò)程圍巖關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力－時(shí)間關(guān)系曲線

為了便于觀察，同樣將圖10中第1、4、7三個(gè)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線單獨(dú)繪出，見(jiàn)圖12。從圖中可清晰地看到，測(cè)點(diǎn)1前期應(yīng)力值增長(zhǎng)較慢，后期較快。而測(cè)點(diǎn)7則正好相反，前期快后期較慢。測(cè)點(diǎn)4總體增長(zhǎng)幅度較小，應(yīng)力-時(shí)間曲線呈波浪交替式發(fā)展，是典型的襯砌圍巖接觸應(yīng)力減小和圍巖收縮應(yīng)力增大雙重交替作用的結(jié)果。

在襯砌應(yīng)變方面，見(jiàn)圖11，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線的發(fā)展趨勢(shì)及變化規(guī)律各不相同。但在總體上風(fēng)干過(guò)程各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的發(fā)展趨勢(shì)和降雨過(guò)程正好相反，其中第1、2、6、7四個(gè)測(cè)點(diǎn)為外側(cè)受拉，第3、4、5三個(gè)測(cè)點(diǎn)為外側(cè)受壓。說(shuō)明襯砌變形在恢復(fù)，意味著風(fēng)干過(guò)程圍巖收縮是對(duì)襯砌的一種卸荷過(guò)程。

總體而言，不管是圍巖應(yīng)力還是襯砌應(yīng)變的變化，都不是單一因素而導(dǎo)致的變化問(wèn)題，而是在多重因素共同影響下的發(fā)展變化過(guò)程。它既包括時(shí)間效應(yīng)的影響又包括空間效應(yīng)的影響，同時(shí)還兼具有各種初始狀態(tài)的影響，如初始含水率及初始干密度等。

5　結(jié)論及展望

通過(guò)對(duì)膨脹圍巖隧道物理模型的干濕循環(huán)試驗(yàn)，得出了降雨入滲圍巖吸水及蒸發(fā)風(fēng)干圍巖失水兩個(gè)過(guò)程的圍巖應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線及襯砌應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線，分析了圍巖壓力及襯砌變形的發(fā)展變化趨勢(shì)。

試驗(yàn)認(rèn)為在吸水過(guò)程中大部分測(cè)點(diǎn)的圍巖應(yīng)力都經(jīng)歷增長(zhǎng)、減小、不同速率的再增長(zhǎng)3個(gè)階段，而襯砌變形則經(jīng)歷緩慢增長(zhǎng)、急劇增長(zhǎng)、急劇減小、微增長(zhǎng)4個(gè)階段;在失水過(guò)程中，從整體上可以將圍巖應(yīng)力變化分為兩部分，即圍巖失水收縮襯砌和圍巖接觸壓力下降導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值減小以及土體收縮產(chǎn)生收縮應(yīng)力導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值增大。另外，處于不同位置的測(cè)點(diǎn)，其圍巖壓力和襯砌變形的變化趨勢(shì)及時(shí)間先后各不相同，說(shuō)明了在干濕循環(huán)過(guò)程中，時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)的存在。

試驗(yàn)雖得出了一定的規(guī)律，但存在一些不足之處。如試驗(yàn)未能建立圍巖脹縮時(shí)和含水率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及試驗(yàn)只對(duì)圍巖進(jìn)行了一個(gè)循環(huán)的干濕模擬。但是，得出的結(jié)論還是具有一定的理論參考價(jià)值。在今后的研究工作中，應(yīng)設(shè)置含水率監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)圍巖含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;增加干濕交替次數(shù)，以得到多次干濕交替下的脹縮規(guī)律;增大模型箱及襯砌剛度以限制圍巖的膨脹變形。

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Research on Mechanical Behaviors of Swelling Wall Rock Tunnel under Dry-wet Alternate Conditions

YANG Jun-ping1，2，WANG Zhan-yi1，TANG Wei1，LI Sheng-nan1
(1.College of Civil Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China; 2.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:With the expansive soil in Nanning，Guangxi area used as the material of surrounding rock，an indoor physic model of swelling wall rock tunnel is established.The relation curve of surrounding rock stress-time and that of tunnel lining strain-time are obtained by means of drying-wetting test of the tunnel model under the condition of surrounding rock water absorption and water loss.The test results indicate that the surrounding rock pressure at most measuring points experiences such three phases as increase，decrease and increase again in different rates in the process of water absorption，while the deformation of tunnel lining is subject to such four stages as slow growth，dramatic increase，dramatic decrease and slight growth.In the process of water loss，the changes of surrounding rock pressure，on the whole，can be divided into two categories:one is the decrease of surrounding rock stress caused by the decrease of contactbook=92,ebook=95pressure of the lining and the surrounding rock due to water loss and surrounding rock shrinkage，another is the increase of monitoring values caused by the shrinking stress due to shrinking forces.Further more，the mechanism of the changes is analyzed，demonstrating the existence of time effect and space effect and providing some theoretical references for structure design and construction optimization of such tunnels.

Key words:Swelling wall rock; Tunnel model; Drying-wetting cycle; Surrounding rock pressure; Deformation of tunnel lining

作者簡(jiǎn)介:楊軍平(1971—)，男，副教授，2008年畢業(yè)于廣西大學(xué)，工學(xué)博士，碩士研究生導(dǎo)師，E-mail:392696281@ qq.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51368014)

收稿日期:2015-08-12

文章編號(hào):1004-2954(2016) 03-0091-06

中圖分類(lèi)號(hào):U451

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.020