晏莉, 喻少華, 文勝
(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114)
壓力拱是隧道開挖后在一定條件下內(nèi)部圍巖通過應(yīng)力重分布或不均勻變形等自我調(diào)整的方式在隧道周圍形成的一種類似拱結(jié)構(gòu)的圍巖保護(hù)圈現(xiàn)象。壓力拱可使荷載傳遞路線發(fā)生偏移,這種現(xiàn)象雖無(wú)法用肉眼觀察,但該現(xiàn)象的存在正是圍巖自穩(wěn)能力的體現(xiàn)。隧道圍巖壓力理論發(fā)展經(jīng)歷了古典壓力理論、散體壓力理論和彈塑性形變壓力理論3個(gè)階段。20世紀(jì)初出現(xiàn)古典壓力理論,該理論把隧道上部全部巖土體的重力當(dāng)成作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。20世紀(jì)中期,隨著開挖深度的增加,古典壓力理論與實(shí)際情況越來越不相符,于是出現(xiàn)了最早認(rèn)識(shí)到巖土體中存在壓力拱效應(yīng)的散體壓力理論。對(duì)于淺埋隧道,太沙基通過活動(dòng)門試驗(yàn)證明了在砂土中存在壓力拱效應(yīng),他認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力為上部土層重力減去上部土層與鄰近土層的摩擦力;對(duì)于深埋隧道,俄國(guó)學(xué)者提出了自然平衡拱,認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力來自于圍巖塌落拱區(qū)域內(nèi)巖土體的重力。20世紀(jì)后期,隨著隧道施工工藝的進(jìn)步及彈塑性理論與數(shù)值軟件的發(fā)展,圍巖壓力進(jìn)入彈塑性解析解階段,其中具有代表性的有著名的芬納公式和卡斯特奈公式。隨后,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于彈塑性理論,通過數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)對(duì)壓力拱進(jìn)行了廣泛研究,取得了豐碩成果。根據(jù)研究方法的不同,可將圍巖壓力拱理論分為傳統(tǒng)壓力拱理論和動(dòng)態(tài)壓力拱理論。該文通過對(duì)隧道壓力拱理論現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié),對(duì)比當(dāng)前圍巖壓力拱理論的聯(lián)系和區(qū)別,為今后改進(jìn)壓力拱研究方法提供方向。
傳統(tǒng)壓力拱理論認(rèn)為隧道一旦開挖完成后壓力拱的形態(tài)和位置就被確定而不再改變?;谠撜J(rèn)識(shí),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者以壓力拱內(nèi)、外邊界及拱體范圍為出發(fā)點(diǎn),對(duì)壓力拱的形態(tài)和位置進(jìn)行研究,通過應(yīng)力分析給出內(nèi)、外邊界的定義,在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬對(duì)壓力拱的特性開展研究。
文獻(xiàn)[1]最早對(duì)壓力拱邊界進(jìn)行探討,認(rèn)為壓力拱內(nèi)邊界位于隧道拱頂,外邊界是與隧道拱頂曲率一致并通過隧道上部圍巖中應(yīng)力轉(zhuǎn)變點(diǎn)的一條曲線,壓力拱內(nèi)、外邊界之間的范圍即為拱體范圍。
文獻(xiàn)[8]對(duì)壓力拱內(nèi)、外邊界進(jìn)行定義,提出最大主應(yīng)力的最大值所對(duì)應(yīng)的位置為壓力拱內(nèi)邊界,最小主應(yīng)力值恢復(fù)到原巖應(yīng)力處的位置為外邊界,并基于數(shù)值模擬方法得到了不同巖石中壓力拱的形態(tài)和位置(見圖1),壓力拱的形態(tài)即為隧洞周圍由內(nèi)、外邊界所包圍的閉合式圓環(huán)。
文獻(xiàn)[9]基于前人對(duì)壓力拱形態(tài)的認(rèn)識(shí),根據(jù)彈塑性理論將圍巖劃分為松動(dòng)區(qū)、承載區(qū)、原巖區(qū),其中承載區(qū)即為壓力拱范圍(見圖2);同時(shí)提出將環(huán)向應(yīng)力增加至原巖應(yīng)力水平處作為內(nèi)邊界,認(rèn)為將徑向應(yīng)力完全恢復(fù)到原巖應(yīng)力位置定為外邊界時(shí),外邊界難以確定并會(huì)導(dǎo)致壓力拱范圍變大,因而提出將原巖應(yīng)力與徑向應(yīng)力做差值,當(dāng)差值曲線駐點(diǎn)前后斜率變化低于10%時(shí),該駐點(diǎn)處即為壓力拱的外邊界。
圖1 不同巖石中的壓力拱形態(tài)
圖2 圍巖壓力拱的范圍
文獻(xiàn)[10]對(duì)壓力拱內(nèi)、外邊界確定方法進(jìn)行改進(jìn),認(rèn)為環(huán)向應(yīng)力增加至與原巖應(yīng)力水平處為壓力拱內(nèi)邊界,徑向應(yīng)力恢復(fù)到原巖應(yīng)力的90%處為外邊界(見圖3),并將數(shù)值模擬得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)與壓力拱內(nèi)、外邊界定義結(jié)合起來,得到壓力拱演化規(guī)律分為3個(gè)階段:在圍巖內(nèi)部最先出現(xiàn)壓力拱外邊界;隨著開挖的進(jìn)行,壓力拱內(nèi)邊界逐漸形成;最后內(nèi)、外邊界向圍巖深處擴(kuò)展并定形。
文獻(xiàn)[11]基于簡(jiǎn)化模型,通過復(fù)變理論得到了圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)的彈性解,在彈性解的基礎(chǔ)上結(jié)合經(jīng)典彈塑性理論與摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)測(cè),得到了圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)的解析解,并采用數(shù)值方法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)由解析解確定的圍巖壓力拱內(nèi)、外邊界與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相差很小,在一定意義上驗(yàn)證了傳統(tǒng)壓力拱理論的正確性。
圖3 彈塑性圍巖應(yīng)力圖
綜上,傳統(tǒng)圍巖壓力拱理論基于彈塑性應(yīng)力場(chǎng),先對(duì)隧道圍巖壓力拱內(nèi)、外邊界及拱體范圍作出定義,通過數(shù)值模擬得到不同路徑下內(nèi)部圍巖應(yīng)力曲線,再根據(jù)定義結(jié)合應(yīng)力曲線確定不同路徑下與內(nèi)、外邊界相對(duì)應(yīng)的點(diǎn),最后將這些點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合確定壓力拱的形態(tài)和位置。采用該研究方法,可通過改變隧道圍巖影響因素的單值條件來研究隧道圍巖壓力拱形態(tài)及位置的變化。但目前對(duì)圍巖壓力拱內(nèi)、外邊界的定義及拱體范圍劃分沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),因而由該方法得到的結(jié)論還需驗(yàn)證。
動(dòng)態(tài)圍巖壓力拱理論是基于模型試驗(yàn)提出的,通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隧道開挖后壓力拱的位置并不是固定不變,而是在圍巖的破壞過程中動(dòng)態(tài)發(fā)展。根據(jù)有無(wú)加載條件可將模型試驗(yàn)分為自重應(yīng)力場(chǎng)條件下隧道開挖模擬和加載條件下隧道開挖模擬,兩種方式得到的結(jié)果不同。另外,通過對(duì)模型試驗(yàn)隧道開挖圍巖中應(yīng)力的監(jiān)測(cè),結(jié)合彈塑性應(yīng)力場(chǎng),可對(duì)壓力拱的演化規(guī)律、破壞機(jī)理進(jìn)行分析。
1.2.1 自重條件下隧道開挖模擬研究
文獻(xiàn)[12]基于對(duì)隧道塌方事故的分析,通過模型試驗(yàn)?zāi)M自重應(yīng)力場(chǎng)作用下毛洞的塌方破壞過程,得到了拱形塌方和塌穿型塌方兩種圍巖破壞模式,由此最早提出動(dòng)態(tài)圍巖壓力拱理論(圍巖漸進(jìn)性破壞過程見圖4)。由于監(jiān)測(cè)的應(yīng)力數(shù)據(jù)變化很小,無(wú)法結(jié)合彈塑性應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行成拱機(jī)理分析,而地表沉降規(guī)律與真實(shí)隧道塌方過程相符。文獻(xiàn)[13]還通過離散元軟件對(duì)拱形塌方圍巖破壞模式進(jìn)行模擬,數(shù)值模擬最終破壞形態(tài)與模型試驗(yàn)結(jié)果相差很小,進(jìn)一步論證了試驗(yàn)結(jié)果。
圖4 開挖后隧道圍巖漸進(jìn)性破壞過程
文獻(xiàn)[14]通過模型試驗(yàn)對(duì)自重情況下圍巖塌穿型塌方的破壞模式進(jìn)行模擬,監(jiān)測(cè)從隧道開挖完成到塌方完成這段時(shí)間內(nèi)圍巖應(yīng)力的變化過程,將隧道拱頂圍巖環(huán)向應(yīng)力大于原巖應(yīng)力的區(qū)域定為壓力拱拱體范圍,并以拱頂及拱腰環(huán)向應(yīng)力明顯增大作為壓力拱動(dòng)態(tài)變化的標(biāo)志,通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,繪制出隧道開挖后壓力拱的演化規(guī)律(見圖5),認(rèn)為壓力拱隨著圍巖動(dòng)態(tài)破壞而向圍巖深處轉(zhuǎn)移,壓力拱的位置在不斷變化。
圖5 不同階段壓力拱位置(單位:m)
文獻(xiàn)[15]基于試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)壓力拱演化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析,認(rèn)為隧道開挖完成后,毛洞狀態(tài)下隧洞最終會(huì)出現(xiàn)三類形態(tài),分別為穩(wěn)定的毛洞、拱形塌方(穩(wěn)定的局部塌方)、塌穿型塌方,并將完整的塌穿型塌方過程劃分為初始應(yīng)力狀態(tài)—隧道開挖—開始塌方—拱形塌方—塌穿型塌方。壓力拱動(dòng)態(tài)演變流程見圖6。
綜上,通過自重應(yīng)力場(chǎng)條件下模型試驗(yàn),可得到隧道開挖后毛洞最終會(huì)呈現(xiàn)3種形態(tài),并可分析動(dòng)態(tài)圍巖壓力拱的演化規(guī)律。但由于自重情況下圍巖中應(yīng)力很小,監(jiān)測(cè)的應(yīng)力數(shù)據(jù)無(wú)法完全與彈塑性應(yīng)力場(chǎng)相匹配,無(wú)法通過試驗(yàn)量測(cè)的應(yīng)力數(shù)據(jù)按照傳統(tǒng)壓力拱理論的分析方法對(duì)隧洞成拱機(jī)理進(jìn)行分析(即由模型試驗(yàn)得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)與由數(shù)值模擬得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)不匹配)。因此,有學(xué)者通過加載(改變埋深)的方式對(duì)隧洞破壞機(jī)理進(jìn)行細(xì)化探究。
圖6 圍巖動(dòng)態(tài)壓力拱演變機(jī)理
1.2.2 加載條件下隧道開挖模擬研究
為研究隧道破壞機(jī)理,文獻(xiàn)[16]在隧道開挖穩(wěn)定的情況下,針對(duì)黏性和砂性材料進(jìn)行加載試驗(yàn),發(fā)現(xiàn):對(duì)于黏性材料,毛洞在加載過程中表現(xiàn)出洞室兩側(cè)剪切滑移而后拱頂塌方的破壞模式;對(duì)于砂性材料,洞室先出現(xiàn)二次拋物線形塌落拱,然后拱腳向兩側(cè)移動(dòng),塌落拱滑裂面與普氏壓力拱相符。其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)拱形塌方破壞機(jī)理進(jìn)行了細(xì)化和完善。
文獻(xiàn)[17]通過加載方式對(duì)變埋深(25~60 m)下隧道圍巖漸進(jìn)性破化機(jī)理進(jìn)行模型試驗(yàn),再現(xiàn)了隧道開挖后毛洞形成穩(wěn)定塌落拱的全過程,記錄了該過程中圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示:圍巖破壞區(qū)是隧道塌落荷載的來源,不僅存在于拱頂區(qū)域,在拱腰及拱底也局部存在;試驗(yàn)過程中測(cè)得的隧道環(huán)向應(yīng)力與彈塑性應(yīng)力場(chǎng)環(huán)向應(yīng)力相符(試驗(yàn)數(shù)據(jù)與彈塑性應(yīng)力場(chǎng)結(jié)合),呈現(xiàn)先升高后逐漸下降的態(tài)勢(shì),采用傳統(tǒng)壓力拱理論分析方法將環(huán)向應(yīng)力的最大值定義為壓力拱位置,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)壓力拱進(jìn)行了動(dòng)態(tài)演化。
文獻(xiàn)[18]通過加載方式對(duì)深埋(埋深大于60 m)隧道破壞機(jī)理進(jìn)行模型試驗(yàn),再現(xiàn)了隧道開挖后毛洞形成穩(wěn)定塌落拱的情況,但得到了不同的結(jié)果:隨著加載的進(jìn)行,先在隧道拱腰處形成V形楔形體剪切范圍,而后剪切范圍從拱腰延伸至拱頂,最終在拱頂形成拱形塌落破壞模式。結(jié)合測(cè)量的應(yīng)力數(shù)據(jù),通過定義環(huán)向應(yīng)力大于原巖應(yīng)力區(qū)域?yàn)閴毫肮绑w范圍及最大主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)變處為壓力拱位置,將深埋隧道圍巖受力區(qū)依次分為松動(dòng)區(qū)—壓力拱拱體—原巖區(qū),該分區(qū)結(jié)果與文獻(xiàn)[10]的相同。
文獻(xiàn)[19]采用有限元強(qiáng)度折減法,將模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合研究隧洞破壞機(jī)理,發(fā)現(xiàn)淺埋拱形隧洞破壞來自拱頂,深埋隧洞來自拱腰;埋深較小時(shí),矩形和拱形隧道均會(huì)出現(xiàn)淺埋壓力拱;隨著埋深的增大,矩形隧道淺埋壓力拱會(huì)逐漸消失,而后形成深埋壓力拱,但拱形隧道不會(huì)形成深埋壓力拱,只是圍巖初始破壞區(qū)域從拱頂轉(zhuǎn)至拱腰。
綜上,若由模型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的應(yīng)力數(shù)值與彈塑性應(yīng)力場(chǎng)相符,則可基于傳統(tǒng)圍巖壓力拱研究方法通過監(jiān)測(cè)應(yīng)力值對(duì)壓力拱成拱機(jī)理進(jìn)行分析,此時(shí),基于彈塑性應(yīng)力場(chǎng),由數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)兩種研究方法得到的結(jié)果可綜合起來分析。但自重條件下隧洞破壞過程連續(xù)且迅速,由于圍巖中應(yīng)力很小,測(cè)量應(yīng)力無(wú)法表現(xiàn)隧道的漸進(jìn)性破壞過程。因此,有學(xué)者通過加載的方式研究隧洞破壞機(jī)理,加載情況下隧道破壞過程隨著加載值的增加而漸進(jìn)變化,該方式能將隧道破壞過程進(jìn)行細(xì)化。隨著加載值的增加,內(nèi)部圍巖應(yīng)力增加,測(cè)量應(yīng)力能表現(xiàn)隧道圍巖壓力拱動(dòng)態(tài)變化過程。但該測(cè)量應(yīng)力是由加載壓力增大所導(dǎo)致,不是由于隧道開挖后圍巖進(jìn)行應(yīng)力重分布形成壓力拱時(shí)圍巖的應(yīng)力,與實(shí)際工程不符,所以二者得到的結(jié)果能否聯(lián)系起來討論有待商榷。
模型試驗(yàn)是基于相似原理解決大型復(fù)雜工程問題的重要手段,是對(duì)特定工程問題進(jìn)行縮尺再現(xiàn)的一種方法。由于隧道模型試驗(yàn)采用的是真實(shí)的實(shí)體,當(dāng)它滿足相似原理時(shí),能化解理論上無(wú)法解答的矛盾,直觀地再現(xiàn)隧道開挖后圍巖的塌落情況及應(yīng)力特征,得到的試驗(yàn)結(jié)果既可與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,也可發(fā)現(xiàn)新的力學(xué)現(xiàn)象,從而進(jìn)一步推動(dòng)理論與數(shù)值模擬的發(fā)展。目前隧道模型試驗(yàn)大致可分為常規(guī)模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)、透明土試驗(yàn)三類,3種試驗(yàn)方案各有其優(yōu)缺點(diǎn):
(1) 常規(guī)模型試驗(yàn)裝置加工和操作簡(jiǎn)單,對(duì)儀器設(shè)備的要求低,因而試驗(yàn)成本低,特別是大規(guī)模試驗(yàn),因土顆粒尺寸效應(yīng)及邊界效應(yīng)小,具有很大優(yōu)勢(shì),故在壓力拱研究中應(yīng)用最多。
(2) 離心試驗(yàn)可直接利用原狀巖土體在模型中重現(xiàn)原位應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),較簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)“全相似”。但其對(duì)設(shè)備及精度要求嚴(yán)格,試驗(yàn)費(fèi)用高昂,還需在離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中模擬開挖,難度較大。
(3) 透明土試驗(yàn)可開展非介入式人工模型試驗(yàn),利用PIV技術(shù)展現(xiàn)巖土體內(nèi)部的變形過程。前兩種壓力拱的模型試驗(yàn)均建立在平面應(yīng)變模型的基礎(chǔ)上,不能真實(shí)地展現(xiàn)土體內(nèi)部的變形情況,而透明土試驗(yàn)?zāi)芙鉀Q該問題。但透明土材料中含有孔隙流體,在壓力拱研究中必須進(jìn)行全封閉、全自動(dòng)化操作,對(duì)設(shè)備的要求較高,且透明土對(duì)圍巖的力學(xué)參數(shù)模擬相差太大,故透明土模型試驗(yàn)還不能很好地應(yīng)用于圍巖壓力拱研究。
目前對(duì)圍巖壓力拱研究的模型試驗(yàn)大多采用常規(guī)模型試驗(yàn),離心試驗(yàn)與透明土試驗(yàn)的應(yīng)用不夠廣泛。透明土技術(shù)與3D打印技術(shù)的發(fā)展及3D打印技術(shù)在隧道工程中的成功應(yīng)用對(duì)壓力拱模型試驗(yàn)方案的選擇具有重要意義。
離心試驗(yàn)采用原狀巖土體即可進(jìn)行試驗(yàn),但常規(guī)模型試驗(yàn)與透明土試驗(yàn)必須根據(jù)相似原理配制相似材料才可進(jìn)行,相似材料的選擇和配比對(duì)模型試驗(yàn)的成敗起著關(guān)鍵作用。
2.2.1 常規(guī)物理試驗(yàn)相似材料發(fā)展歷程
大量試驗(yàn)表明,采用單一天然材料作為相似材料與原巖力學(xué)參數(shù)相差太大,需采用幾種天然材料按照一定比例進(jìn)行配制才能對(duì)圍巖進(jìn)行模擬。意大利等國(guó)最早對(duì)模型材料進(jìn)行研究,把模型材料分為兩類:一類是以鉛氧化物和石膏為主料、砂石為輔料;另一類以重晶石粉為骨料、環(huán)氧樹脂及甘油為黏結(jié)劑。中國(guó)從1970年開始對(duì)隧道相似材料進(jìn)行研究,取得了很多成果,目前以河砂、重晶石粉為骨料及洗潔精為黏結(jié)劑的配制方法使用較多,其中具有代表性的成果見表1。
表1 常規(guī)模型試驗(yàn)相似材料發(fā)展歷程
2.2.2 透明土材料發(fā)展歷程
透明土材料由透明土顆粒和孔隙流體組成,透明土顆粒與孔隙流體具有相同的折射率,光線通過時(shí)不會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象,因而這種材料是透明的。采用透明土材料,利用光學(xué)觀測(cè)和圖像采集及處理等技術(shù),可深入研究隧道圍巖內(nèi)部巖土體變形規(guī)律,從而不再局限于平面應(yīng)變模型,對(duì)開展隧道工程研究具有重要意義。國(guó)內(nèi)雖然在透明土材料方面的研究起步較晚,但也取得了不少成果,其中具有代表性的成果見表2。
表2 透明土材料發(fā)展歷程
(1) 基于彈塑性理論,根據(jù)研究手段不同可將隧道壓力拱理論分為傳統(tǒng)壓力拱理論和動(dòng)態(tài)壓力拱理論,二者采用不同研究手段得到不同研究成果。傳統(tǒng)圍巖壓力拱理論認(rèn)為隧道一旦開挖完成其壓力拱位置和形態(tài)就被確定而不再改變;動(dòng)態(tài)壓力拱理論認(rèn)為壓力拱位置并不是固定的,而是在圍巖破壞過程中動(dòng)態(tài)發(fā)展。從研究現(xiàn)狀來看,這兩種理論的觀點(diǎn)并不全面或者說是相互補(bǔ)充,仍有待研究。
(2) 傳統(tǒng)壓力拱理論從應(yīng)力場(chǎng)出發(fā),采用數(shù)值分析方法,其研究結(jié)果能展示圍巖內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng),并能與解析解應(yīng)力場(chǎng)結(jié)合起來分析。但目前對(duì)圍巖壓力拱內(nèi)、外邊界的定義及拱體范圍劃分沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),因而由該方法得到的結(jié)論還有待驗(yàn)證。
(3) 圍巖動(dòng)態(tài)壓力拱理論從位移場(chǎng)出發(fā),通過模型試驗(yàn),對(duì)圍巖壓力拱的漸進(jìn)性破壞過程有了一個(gè)定性的認(rèn)識(shí),漸進(jìn)性破壞過程與隧道工程塌方事故相似,但破壞過程中應(yīng)力變化規(guī)律無(wú)法與解析解應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行驗(yàn)證。在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí),自重與超載試驗(yàn)條件下相似材料的配比不相同(但均屬于Ⅳ級(jí)圍巖)則隧洞的破壞機(jī)理也不相同,仍有待研究。
(4) 目前對(duì)圍巖壓力拱的模型試驗(yàn)大多數(shù)采用縮尺模型試驗(yàn),相似材料的配比及力學(xué)參數(shù)存在差異,試驗(yàn)設(shè)備也未成體系,仍需深入研究。對(duì)透明土材料及3D打印材料的研究將改變模型試驗(yàn)方案選擇,其研究進(jìn)展對(duì)圍巖壓力拱研究乃至巖土工程試驗(yàn)具有深遠(yuǎn)意義。