干濕交替條件下膨脹土隧道襯砌內(nèi)力試驗研究

楊軍平,王沾義,樊永華,馬勇,周立新

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004;2.賀州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣西 賀州 542800)

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干濕交替條件下膨脹土隧道襯砌內(nèi)力試驗研究

楊軍平1,2,王沾義1,樊永華1,馬勇1,周立新1

(1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004;2.賀州市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，廣西 賀州 542800)

為開展襯砌受膨脹土脹縮特性影響的內(nèi)力變化及變形特征的規(guī)律性研究，對膨脹土隧道模型實施了5個循環(huán)的干濕交替試驗。研究結(jié)果表明：在襯砌彎曲應(yīng)力值方面，其隨循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢，襯砌彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線趨于平緩，說明襯砌受膨脹圍巖脹縮效應(yīng)的影響隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減弱；在襯砌變形方面，受圍巖吸水膨脹影響，襯砌被壓扁，且拱腰處為最不利截面。而受失水收縮影響，襯砌發(fā)生彈性恢復(fù)變形但殘留部分塑性變形；在循環(huán)時間方面，其隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐次減短，說明干濕循環(huán)作用能擴展土體中水分運動的孔隙網(wǎng)絡(luò)，提高圍巖的滲透能力。

膨脹土隧道；干濕循環(huán)；脹縮效應(yīng)；襯砌彎曲應(yīng)力；襯砌變形

近年來，隨著我國公路、鐵路及城市軌道等基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模興建，處于膨脹性巖土地區(qū)的隧道的建設(shè)數(shù)量以及在建設(shè)過程中所遇到的問題也隨之增多。其中當(dāng)隧道穿越膨脹土地質(zhì)體時，隧道襯砌受到來自膨脹圍巖脹縮特性影響而造成的損傷或破壞就是一個較為常見且突出的問題。

隧道襯砌的變形及內(nèi)力變化是受多場耦合因素影響的[1]，膨脹土隧道襯砌受影響的一個主要因素是膨脹圍巖吸水膨脹及失水收縮的特性。這是因為膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)對水分的變化極為敏感[2]，當(dāng)膨脹土隧道處于地下水豐富及地表降水量大的情況下，常因含水量的變化造成圍巖吸水膨脹。且在膨脹受到限制時便轉(zhuǎn)化成膨脹壓力作用于襯砌上，隨圍巖含水量的繼續(xù)增加和時間的延展，土體中的隱裂隙不斷發(fā)展，為深部圍巖的吸水提供便利通道，造成更大范圍的土體吸水膨脹。而當(dāng)膨脹所產(chǎn)生的壓力超過襯砌極限承載力時，襯砌便遭受破壞，導(dǎo)致隧道支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性惡化，引發(fā)洞室坍塌[3]。此外，受大氣降雨入滲及自然風(fēng)干蒸發(fā)等環(huán)境因素的影響，圍巖和外界環(huán)境之間時刻進(jìn)行著季節(jié)性的水分交換，那么圍巖便經(jīng)歷反復(fù)的脹縮變形致使襯砌受到周期性的疲勞荷載以致產(chǎn)生疲勞累積損傷[4]。

就目前而言，國內(nèi)外學(xué)者對膨脹土隧道進(jìn)行了不少的研究，如膨脹土隧道的工程病害[5～6]、施工技術(shù)[7～8]、膨脹土增濕過程中的工程特性[9～11]等方面的研究和分析。但在膨脹圍巖干濕循環(huán)方面的研究還未見較為系統(tǒng)且深入的理論成果，雖然曾仲毅等[12]基于 FLAC3D熱-力耦合模塊，開展了增濕對膨脹土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響研究；周坤[13]利用數(shù)值模擬手段，對隧洞開挖后的洞周膨脹土吸水膨脹做了一定的研究；張永平[14]通過將現(xiàn)場測試及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對強膨脹土隧道的設(shè)計及施工方法進(jìn)行了探究；Grunicke等[15]通過在膨脹侵蝕性地層中利用預(yù)應(yīng)力襯砌結(jié)構(gòu)的方式，對隧道結(jié)構(gòu)修筑時的力學(xué)行為進(jìn)行了試驗研究。但均未對干濕交替條件下膨脹圍巖脹縮特性對襯砌所造成的影響規(guī)律進(jìn)行研究。因此，開展干濕循環(huán)對膨脹土隧道襯砌內(nèi)力影響的試驗研究具有一定的科學(xué)意義和工程價值。

本文以廣西南寧地區(qū)膨脹土為圍巖材料制作了膨脹圍巖隧道物理模型，通過對隧道模型進(jìn)行五個循環(huán)的干濕交替試驗，來對膨脹土脹縮特性影響下的隧道襯砌內(nèi)力變化及變形特征隨時間變化而變化的規(guī)律性進(jìn)行研究和分析。

1 地質(zhì)及氣象資料

本模型試驗主要針對廣西膨脹性巖土的特殊地質(zhì)體及炎熱多雨的特殊氣候條件而開展，為研究兩種特殊條件下隧道襯砌受膨脹土圍巖吸水膨脹及失水收縮影響的普遍性規(guī)律，試驗不以某一具體工程實例為研究原型，而是根據(jù)廣西地區(qū)現(xiàn)有隧道的建設(shè)情況以及參考公路隧道設(shè)計規(guī)范(JTG/T D70-2010)[16]，按一般雙車道公路隧道設(shè)計。

廣西膨脹土分布廣、種類多。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，局部則由上述巖土風(fēng)化物經(jīng)流水搬運沖積形成；桂林、柳州和來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7～9月最高達(dá)39 ℃；降雨量時空分布不均，4～7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)。在隧道埋深較淺或隧道洞口段且節(jié)理較發(fā)育的情況下，在降雨量充沛季節(jié)，大氣降雨極易滲入，導(dǎo)致圍巖吸水體積膨脹。而在天氣干燥雨水枯竭季節(jié)，又因太陽輻射，蒸發(fā)風(fēng)干效應(yīng)致使圍巖失水體積收縮。

2 模型試驗

2.1 模型箱設(shè)計

模型箱由10 mm厚的高強鋼板組成，其包括前、后大面板和左、右側(cè)面板并且各板通過螺栓栓接而成。模型箱的主要作用是作為模型夯筑時的成型模具以及為圍巖提供邊界約束條件。因試驗?zāi)M的是平面應(yīng)變問題，故模型箱的設(shè)計厚度在沿隧洞軸線方向取40 cm。另外，隧洞直徑按試驗要求設(shè)計為18 cm，取圍巖深度為3～5倍洞徑，從而確定模型箱其他兩個方向凈空尺寸為：110 cm×110 cm。

2.2 圍巖材料

模型夯筑所用圍巖材料均取自廣西南寧畜牧研究所水牛養(yǎng)殖場附近的膨脹土，以膨脹土制作隧道模型最大優(yōu)勢在于能有效消除相似材料與實際工程材料之間的差異。該土取土深度為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)見表1所示。表中密度、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)、凝聚力及摩擦角均是在圍巖夯筑的控制干密度1.6 g/cm3和目標(biāo)含水率27%的情況下而得?？紤]到在密實度越高和含水率越低的情況下，圍巖膨脹力越大，膨脹效果越明顯[17]，所以以最優(yōu)含水率27.85%和最大干密度1.62 g/cm3為參考來確定控制干密度和目標(biāo)含水率2個參數(shù)值。此外，根據(jù)自由膨脹率按膨脹土膨脹潛勢分類可知該土具有弱膨脹性。

表1 材料的物理力學(xué)參數(shù)

2.3 試驗設(shè)備簡介

襯砌應(yīng)變值的采集由高速靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)主要由電阻應(yīng)應(yīng)變片、高速靜態(tài)應(yīng)變儀、計算機三部分組成。其中高速靜態(tài)應(yīng)變儀型號為DH3818-2，該應(yīng)變儀可廣泛用于土木、交通、機械等領(lǐng)域，其測試應(yīng)變范圍±19 999με；分辨率為1με；自動平衡范圍±15 000με；靈敏度系數(shù)K=2。

循環(huán)試驗過程中對圍巖含水率的監(jiān)測以及對干濕循環(huán)幅度的控制則由FDR濕度監(jiān)控系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)由土壤濕度傳感器、無紙記錄儀、計算機三部分組成。其利用FDR(Frequency Domain Reflectometry)頻域反射技術(shù)的電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在土壤中傳播的頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)，進(jìn)而對土壤的水分進(jìn)行測定。濕度傳感器和無紙記錄儀均為杭州聯(lián)測自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)，傳感器型號為SIN-TH-6，由主體和三根探針組成，量程為0～100%，測量區(qū)域是95%的影響在以中央探針為中心，直徑7 cm、高7 cm的圓柱體內(nèi)。無紙記錄儀型號為SIN-R200D，采樣最小周期為1 s；精度為±0.2%FS。它采用高速、高性能微處理器，并利用通訊的方式和上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

但因FDR系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)為體積含水率ωFDR，那么就需與烘干法測得的質(zhì)量含水率ω烘之間建立對應(yīng)關(guān)系式，以將ωFDR值轉(zhuǎn)換為ω烘值。在這方面筆者曾做過一定的試驗工作[18]，得出了在本試驗控制干密度及目標(biāo)含水率條件下的ωFDR值和ω烘值之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系式(1)，本試驗均可利用此式對ωFDR值進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

30.08ωFDR-209.9(20<ωFDR<31)

(1)

2.4 隧道模型成型

膨脹土取回后，經(jīng)翻曬、風(fēng)干、碾細(xì)、過2 mm篩等工序，通過分層灑水、均勻混合的方法配成所需含水率的重塑土。并按前面所述的控制干密度1.6 g/cm3和重塑土實測含水率26.43%對模型進(jìn)行夯筑。

夯筑前，根據(jù)控制干密度和重塑土實測含水率計算每2 cm厚為一層所需的土量，并通過人工進(jìn)行分層夯實。夯筑過程中，各濕度傳感器均根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的測點位置，并按要求將探針沿水平方向插入土體中進(jìn)行埋置，又因模型左右對稱，故只單側(cè)布置傳感器，如圖1所示。夯筑完畢后，在其頂面鋪一層30 mm厚的海綿板以將水流均勻分散于圍巖頂部，接著蓋上頂板并以混凝土澆筑塊為等效靜載在頂板上均勻施加載荷約2.3 kN，折算成土層厚度相當(dāng)于1.5倍洞徑的厚度。將模型靜置3 d，待圍巖應(yīng)力發(fā)展穩(wěn)定后，進(jìn)行隧洞開挖。

單位：cm圖1 測點布置Fig.1 Arrangement of measure points

隧洞開挖貫通后，為防止圍巖長時間暴露于大氣中引起穩(wěn)定性問題，在開挖完成后適時將襯砌施作于隧洞內(nèi)。本試驗選取直徑18 cm、壁厚6 mm的圓形無縫鋼管作為隧洞襯砌，因土質(zhì)軟巖隧道中圓形截面受力較為均勻并且選取大剛度的鋼管作為隧洞的剛性支護(hù)，能有效抵抗圍巖吸水膨脹時產(chǎn)生的膨脹壓力，不致造成較大程度的襯砌變形，從而降低圍巖應(yīng)力釋放及膨脹應(yīng)力的損失。襯砌施作完畢后，及時采用注漿器注射水泥凈漿將襯砌和圍巖之間的間隙填充密實，以保證圍巖和襯砌之間的壓力正常傳遞，成型后的隧道模型見圖2。

圖2 隧道模型Fig.2 Tunnel model

3 干濕循環(huán)試驗

3.1 試驗方法

試驗以廣西炎熱多雨環(huán)境為依據(jù)，參考實際的降雨及風(fēng)干情況對模型進(jìn)行降雨入滲及水分蒸發(fā)的模擬。本文共進(jìn)行5個循環(huán)的干濕交替試驗，按先干后濕的順序進(jìn)行。通過暖風(fēng)機送風(fēng)升溫的方式達(dá)到水分蒸發(fā)的目的以模擬干循環(huán)，通過自制滲水裝置向圍巖內(nèi)注水的方式達(dá)到降雨入滲的目的以模擬濕循環(huán)。干濕循環(huán)試驗的循環(huán)幅度以及循環(huán)時間，如圖3所示。圖中實線為1號和2號傳感器而虛線為3吃傳感器的監(jiān)測結(jié)果，橫坐標(biāo)表示各循環(huán)的時間歷程，縱坐標(biāo)表示循環(huán)幅度。試驗從2015年6月8日持續(xù)到2015年10月25日，歷時共計140 d。在整個試驗過程中，各系統(tǒng)的采集頻率均設(shè)定為1 h/次，并在各循環(huán)開始前對各測點進(jìn)行平衡歸零操作。

圖3 干濕循環(huán)幅度及時間歷程Fig.3 Circulating amplitude and time course

3.2 干循環(huán)過程

本過程以廣西7～9月的極端氣候為參考，將環(huán)境溫度及風(fēng)速等參數(shù)控制在40oC及1.5 m/s左右，來模擬夏季炎熱的太陽日曬溫度和自然風(fēng)對圍巖的風(fēng)干作用。

圍巖受熱及風(fēng)干作用面為模型前側(cè)大面，為保證水分蒸發(fā)均勻以及防止熱量損失，在模型前側(cè)架設(shè)由油布組成的保溫棚。在整個過程中，采用溫度計和風(fēng)速測試儀來監(jiān)測和調(diào)整模型周邊的溫度和風(fēng)速。此外，因桂林6月份濕度大，特采用空氣除濕器將模型周圍環(huán)境的相對濕度控制在80%左右，以減小其對試驗的影響。

3.3 濕循環(huán)過程

該過程根據(jù)廣西降雨充沛季節(jié)4～7月的降雨情況，按暴雨的等級根據(jù)國家氣象局規(guī)定的日均降雨量60 mm，來模擬多雨季節(jié)大氣降雨入滲的過程。

試驗開始前，將設(shè)計好的滲水裝置按要求安裝于指定位置。并將模型前側(cè)大面鋼板裝上，這可增大模型箱的整體剛度，有效降低因箱體微變形所造成的圍巖膨脹力的損失[19]。

4 試驗結(jié)果及分析

圖4～圖7為襯砌彎曲應(yīng)力值和時間歷程之間的關(guān)系曲線，且圖中正負(fù)號規(guī)定為襯砌內(nèi)側(cè)受拉為正。圖8及圖9分別為干、濕循環(huán)過程中襯砌各截面的最大內(nèi)力包線圖。圖中各內(nèi)力值均是通過監(jiān)測得到的襯砌內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變值，按照式(2)和式(3)計算而出：

(2)

(3)

式中：b為單位長度；h為襯砌設(shè)計厚度；E為襯砌的彈性模量。

濕循環(huán)過程中隨降雨入滲的進(jìn)行，圍巖不斷吸水體積膨脹，產(chǎn)生的強大膨脹力使襯砌受力變形并產(chǎn)生截面內(nèi)力。簡言之，襯砌的變形及內(nèi)力的產(chǎn)生主要是受洞周圍巖吸水濕脹及失水干縮而表現(xiàn)出的力學(xué)行為的影響。圖4為各測點襯砌彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線圖，各曲線表明了彎曲應(yīng)力隨時間的變化而呈不同的發(fā)展變化趨勢。從圖中分析可知，拱頂和底板處襯砌內(nèi)側(cè)受拉，二者發(fā)展變化趨勢類似，拱腰處外側(cè)受拉，與前面二者的發(fā)展趨勢相反。此外，各關(guān)系曲線大致可分為前期零增長、持續(xù)增長、下降、二次回升、后期穩(wěn)定等5個發(fā)展變化階段。

圖4 第一次濕循環(huán)襯砌各測點彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線Fig.4 Lining bending stress-time relation curves of each measuring points during the first wetting cycle

前期零增長階段，主要反映的是在濕循環(huán)前期，圍巖濕脹范圍較小，其整體膨脹效應(yīng)不明顯。且受上一干循環(huán)圍巖失水體積收縮的影響，圍巖膨脹應(yīng)力需在體積膨脹到初始狀態(tài)時才能產(chǎn)生，因此圍巖需經(jīng)歷一個吸水回脹階段，在該階段襯砌不會產(chǎn)生明顯的內(nèi)力變化；持續(xù)增長階段，該階段主要表明洞室上部土體吸水范圍擴大，越來越多的土顆粒吸水，膨脹土濕脹效應(yīng)逐漸明顯，此時襯砌受到的來自于上部土體膨脹而產(chǎn)生的豎直方向的膨脹擠壓力也逐漸增大，致使襯砌有被壓扁的趨勢。而隨水流滲透范圍的繼續(xù)擴展，襯砌受力變形的程度加劇，因此襯砌的彎曲應(yīng)力持續(xù)增大；下降階段，當(dāng)水流滲透到洞室兩側(cè)時，因兩側(cè)土體吸水膨脹，給襯砌以水平方向的膨脹擠壓力，這為襯砌的壓扁變形提供有效的抵抗力，致使襯砌被壓扁的變形趨勢慢慢減弱。而隨兩側(cè)土體膨脹能力漸增時，襯砌兩側(cè)水平擠壓力也逐漸增大，襯砌變形出現(xiàn)回彈，因此使得襯砌彎曲應(yīng)力降低；二次回升階段，當(dāng)水流滲透到洞室下部時，因下部土體吸水膨脹，襯砌再一次受到來自洞室下側(cè)的豎直向上的膨脹擠壓力，襯砌被壓扁的趨勢再次發(fā)展。從理論上講，襯砌的彎曲應(yīng)力將顯著增強，但從曲線圖來看，此時的增長非常微小。這主要是因為隨土體埋深增加，土體受大氣降水的影響深度有限，水流在長距離的滲透過程中，逐漸匯聚成若干條主流并沿著固定的滲透路徑流出模型體外，使得處于模型底部的土體吸水不充分且不均勻，造成土體膨脹不完全，致使襯砌受力變形的程度不大；后期穩(wěn)定階段，土顆粒達(dá)到最大吸水能力，土體達(dá)到最大體積膨脹量并逐漸趨于穩(wěn)定，此時襯砌不再產(chǎn)生明顯的受力變形，出現(xiàn)最終穩(wěn)定階段。

圖5為1號，4號和7號三個關(guān)鍵測點處的五次濕循環(huán)襯砌彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線圖。從圖中各曲線的發(fā)展變化趨勢來看，隨循環(huán)次數(shù)的增加，各曲線的彎曲應(yīng)力變化幅度減小，曲線趨于平緩，這種衰減現(xiàn)象在第四、第五次循環(huán)時尤為明顯。說明膨脹圍巖經(jīng)歷反復(fù)干濕循環(huán)后，其膨脹能力呈衰減趨勢，且在前三個循環(huán)膨脹效果明顯。也證明了襯砌所受圍巖的膨脹擠壓力逐級遞減，襯砌受力變形減小，截面彎曲應(yīng)力降低。從彎曲應(yīng)力值大小來看，各次循環(huán)持續(xù)增長階段的增長值、下降階段的減小值、二次回升階段的增長值均隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，且進(jìn)行到第三、四次循環(huán)時，各測點二次回升階段的增長值已處于負(fù)增長狀態(tài)。分析認(rèn)為這同樣是因圍巖膨脹能力減弱所引起，但這種膨脹能力的減弱并不是絕對的，因為在減弱的同時伴隨有新的土顆粒吸水膨脹。這可從圖3中3號濕度傳感器測得的濕循環(huán)最大含水率得到解釋，3號濕度傳感器位于模型底部，隨循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙網(wǎng)絡(luò)不斷擴展，土體儲水量增加，其監(jiān)測值升高。這直接證明了大氣降水對地層的影響深度有限，而干濕循環(huán)作用能使這種影響深度逐漸加深。

(a)1號測點；(b)4號測點；(c)7號測點圖5 五次濕循環(huán)關(guān)鍵測點襯砌彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線Fig.5 Lining bending stress-time relation curves of the key measuring points during the five wetting cycles

干循環(huán)過程中，隨圍巖中水分蒸發(fā)，土體不斷失水收縮體積減小，襯砌受圍巖體積收縮的影響也隨時間產(chǎn)生一定的內(nèi)力變化。但由于受試驗條件限制，本試驗干循環(huán)過程采用暖風(fēng)機對模型前側(cè)大面送風(fēng)加熱的方式進(jìn)行土體脫水，因此干循環(huán)水分蒸發(fā)方向和濕循環(huán)水流滲透方向具有明顯不同。水流滲透是沿豎直方向自上而下被土顆粒吸收，而水分風(fēng)干是沿水平方向自外而內(nèi)逐漸蒸發(fā)，所以襯砌彎曲應(yīng)力的變化不像濕循環(huán)那樣隨時間的變化而呈現(xiàn)出較為明顯的變化特征。

圖6為襯砌各測點的襯砌彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線圖，因第一次干循環(huán)的數(shù)據(jù)具有一定的局限性，故圖中均取第二次干循環(huán)的襯砌彎曲應(yīng)力進(jìn)行內(nèi)力分析。從圖中可知，各關(guān)系曲線均可分為兩個階段即彎曲應(yīng)力值持續(xù)增長及平穩(wěn)階段。持續(xù)增長階段，在干循環(huán)過程前期，圍巖體積減小，由上一濕循環(huán)圍巖體積膨脹所產(chǎn)生的膨脹壓力勢能逐漸消去，襯砌受到的膨脹擠壓力減小，襯砌開始出現(xiàn)回彈恢復(fù)變形，此時1號測點(拱頂處)、7號測點(底板處)為外側(cè)受拉，4號測點(拱腰處)為內(nèi)側(cè)受拉，所以這種彎曲應(yīng)力的增長在一定程度上又可稱之為襯砌的彈性恢復(fù)應(yīng)力。平穩(wěn)階段主要反映的是在持續(xù)增長階段的后期，襯砌所受膨脹擠壓力減小變形恢復(fù)的同時，因受襯砌兩側(cè)土體失水收縮水平約束力減小并在豎向土體自重應(yīng)力的影響下，襯砌的彈性恢復(fù)變形被抑制，在這兩種交替作用發(fā)展下，襯砌的彈性恢復(fù)應(yīng)力進(jìn)入穩(wěn)定階段。

圖7為1號，4號和7號三個關(guān)鍵測點處的五次干循環(huán)襯砌彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線圖。從圖中各曲線可知，第一次干循環(huán)襯砌的彎曲應(yīng)力發(fā)展趨勢和其余各次循環(huán)完全相反，襯砌的變形形態(tài)也互為相反，這是因為第一次干循環(huán)是從圍巖初始平衡狀態(tài)開始，此時圍巖中尚無膨脹應(yīng)力，當(dāng)土體失水收縮后直接導(dǎo)致襯砌兩側(cè)的水平約束減弱，并在洞室上部土體自重應(yīng)力作用下，1號測點以及7號測點內(nèi)側(cè)受拉，4號測點外側(cè)受拉，襯砌具有被壓扁的趨勢。

圖6 第二次干循環(huán)襯砌各測點彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線Fig.6 Lining bending stress-time relation curves of each measuring points during the second drying cycle

(a)1號測點；(b)4號測點;(c)7號測點圖7 各關(guān)鍵測點五次干循環(huán)襯砌彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線Fig.7 Lining bending stress-time relation curves of the key measuring points during the five drying cycles

另外，從圖中可知，隨循環(huán)次數(shù)的增加各階段的彎曲應(yīng)力幅值逐漸減小，到第四循環(huán)后，襯砌中的彎曲應(yīng)力基本已無明顯變化，襯砌變形也趨于穩(wěn)定，這也間接反應(yīng)了膨脹圍巖在反復(fù)干濕循環(huán)后的膨脹性能具有逐漸衰減的特性。在循環(huán)時間方面，各次循環(huán)所耗時間也均隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出逐漸短化的趨勢，其中第五次循環(huán)相比于第一次循環(huán)時間減短了44.79%。造成這種現(xiàn)象的原因在于水分在圍巖中蒸發(fā)所形成的孔隙，能為下一次的循環(huán)提供便利的通道，這不僅加速濕循環(huán)水流的滲透速度還使得干循環(huán)水分蒸發(fā)的能力大幅提高。

圖8及圖9分別為濕循環(huán)和干循環(huán)過程中襯砌最大內(nèi)力包線圖，從圖8可直接看出，受圍巖濕脹影響，圓形襯砌拱頂及底板處內(nèi)側(cè)受拉，拱腰處外側(cè)受拉，襯砌被壓扁，且最大彎曲應(yīng)力值出現(xiàn)在拱腰處。同時襯砌受洞周圍巖徑向力作用，其軸力均以受壓為主，且最大值也出現(xiàn)在拱腰處，出現(xiàn)在該處的原因在于洞室兩側(cè)土體的膨脹給襯砌的壓扁變形提供有效的約束阻力，在一定程度上阻止了襯砌的受力變形，使得該處的內(nèi)力由彎曲應(yīng)力向軸力轉(zhuǎn)化。通過上述分析說明圓形襯砌在膨脹圍巖吸水膨脹的過程中拱腰為受力最不利截面，需特別注意拱腰處的受力特征并采取相應(yīng)的補強措施。而從圖9也可看出，受圍巖干縮的影響，無論是襯砌的彎曲應(yīng)力還是軸力均和濕循環(huán)具有相反的特征，其拱頂及底板處外側(cè)受拉，拱腰處內(nèi)側(cè)受拉，各測點的軸力均以受拉為主，但不管是干循環(huán)還是濕循環(huán)其最大彎曲應(yīng)力值及軸力值均出現(xiàn)在拱腰處。此外，從二者最大內(nèi)力值的角度來比較可知，由濕循環(huán)圍巖膨脹引起的襯砌最大彎曲應(yīng)力值為330×10-3N·m，最大軸力值為-319 N。而由干循環(huán)圍巖收縮引起的襯砌最大彎曲應(yīng)力恢復(fù)值為221×10-3N·m，最大軸力恢復(fù)值為254 N。這意味著襯砌內(nèi)力值不能完全恢復(fù)，說明經(jīng)歷干濕循環(huán)后襯砌中遺留部分殘余應(yīng)力及塑性變形，但這種應(yīng)力和變形不會逐次累積下去。從圖5可知，由圍巖體積脹縮變形而作用于襯砌上的往復(fù)荷載是一種周期衰減荷載，隨循環(huán)次數(shù)的增加，襯砌所受這種荷載逐漸減弱且疲勞累積變形增量值逐漸減小。當(dāng)然這種殘余應(yīng)力和塑性變形不完全是圍巖脹縮變形所引起，洞室上部土體的自重應(yīng)力抑制襯砌的彈性恢復(fù)也屬于其中一部分。

圖8 濕循環(huán)過程襯砌最大內(nèi)力包線圖Fig.8 Maximum internal force envelope diagram of lining during wetting cycle

圖9 干循環(huán)過程襯砌最大內(nèi)力包線圖Fig.9 Maximum internal force envelope diagram of lining during drying cycle

5 結(jié)論

1)在襯砌彎曲應(yīng)力變化值方面，其值均隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)減小趨勢，襯砌彎曲應(yīng)力—時間關(guān)系曲線也逐漸趨于平緩。說明襯砌受膨脹圍巖脹縮效應(yīng)的影響隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減弱，且其所受圍巖的影響主要集中在前三個循環(huán)。

2)在襯砌變形方面，濕循環(huán)圍巖吸水膨脹使拱頂和底板處襯砌內(nèi)側(cè)受拉，拱腰處外側(cè)受拉，致使襯砌產(chǎn)生壓扁變形，且拱腰處為最不利截面，不管是變形還是內(nèi)力值變化均最為明顯，應(yīng)采取相應(yīng)的防范措施。而干循環(huán)圍巖失水收縮使拱頂和底板處襯砌外側(cè)受拉，拱腰處內(nèi)側(cè)受拉，襯砌產(chǎn)生彈性恢復(fù)變形并殘留部分塑性變形。

3)在襯砌內(nèi)力變化周期所耗時間方面，其隨循環(huán)次數(shù)的增加呈減短的趨勢。說明干濕交替作用能擴展圍巖中水分運動的孔隙網(wǎng)絡(luò)，不僅能增大土的滲透性能還為土中水分蒸發(fā)提供便利通道，提高循環(huán)速度。

4)由于膨脹土隧道模型的室內(nèi)干濕循環(huán)試驗研究尚不多見，受試驗經(jīng)驗和條件限制，所得試驗結(jié)果具有一定局限性。那么在以后類似試驗研究中，可采用強膨脹土作為圍巖材料并采用鋼筋混泥土模筑襯砌，來對干濕循環(huán)條件下膨脹土反復(fù)脹縮引起的襯砌的疲勞累積損傷做進(jìn)一步研究。

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Experimental study on the internal forces of expansive soil tunnel lining under the drying-wetting alternate condition

YANG Junping1,2, WANG Zhanyi1, FAN Yonghua1, MA Yong1, ZHOU Lixin1

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin University of Technology,Guilin 541004, China;2.Bureau of Housing and Urban-Rural Construction of Hezhou, Hezhou 542800, China)

In order to carry out the regularity study of the internal force variation and deformation characteristics of tunnel lining influenced by the expansive soil swell-shrink characteristics, the five-cycle wetting-drying tests of the expansive soil tunnel model were implemented. Several results and conclusions are gained as following: 1)In the aspect of lining bending stress value, the stress value showed a decrease trend with the increase of cycling times, and the lining bending stress-time relation curves become to flatten. It means that with the increase of cycling times the influence by swell-shrink effect of swelling wall rock to tunnel lining has gradually weakened. 2)In the aspect of lining deformation, affected by the expansion of surrounding rock, lining is squashed and the haunch is the critical section. While affected by the contraction of surrounding rock, the elasticity recovery deformation of lining has occurred but part of plastic deformation remained. 3)In the aspect of cycling time, the time gradually shortened with the increase of cycling times. It indicates that the wetting-drying cycles could enlarge the pore network for moisture movement in clay, and improve the penetration ability of the surrounding rock.

expansive soil tunnel; wetting-drying cycles; swell-shrink effect; lining bending stress; lining deformation

2016-01-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51368014)

楊軍平(1971-)，男，湖南永州人，副教授，博士，從事地下結(jié)構(gòu)及隧道工程方面的研究工作;E-mail：529454826@qq.com

U459.2

A

1672-7029(2016)11-2220-09