黃土隧道圍巖濕陷襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

李 駿

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

引言

隨著西部大開發(fā)的深入及“一帶一路”倡議的實(shí)施，在我國黃土高原地區(qū)將進(jìn)一步開展大量的鐵路、公路及地鐵等基礎(chǔ)交通設(shè)施建設(shè)，而該地區(qū)黃土分布廣袤、厚度大，難免出現(xiàn)隧道穿越濕陷性黃土地層的情況。由于濕陷性黃土圍巖所具有的特殊水敏性，其一旦遭遇浸水，工程力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生顯著劣化[1-2]，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖壓力增大和濕陷變形的發(fā)生，嚴(yán)重威脅隧道運(yùn)營期間的安全穩(wěn)定[3]。如甘肅省境內(nèi)和平黃土公路隧道、巉柳高速公路趙家楞桿黃土隧道等均因地表水長期入滲導(dǎo)致襯砌大范圍開裂及局部仰拱底面脫空[4-5]。

針對(duì)這一問題，李國良等[6]通過理論分析，對(duì)黃土隧道地基濕陷可能性及其發(fā)生的應(yīng)力狀態(tài)開展研究，提出了隧道基底濕陷變形預(yù)測(cè)方法；王二磊等[7]采用數(shù)值模擬方法，揭示了不同圍巖浸水濕陷及蠕變條件下襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律；翁效林等[8]通過模型試驗(yàn)，分析研究不同區(qū)域、不同程度圍巖濕陷變形對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用，并探討了三軸攪拌樁對(duì)隧道濕陷性地基處置效果問題；李駿等[9-10]在既有黃土隧道上方開展大型現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)，揭示了實(shí)際工程條件下隧道地基濕陷發(fā)生的水-力條件以及襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)制。上述研究成果雖然在黃土隧道圍巖濕陷條件、濕陷力學(xué)作用機(jī)制及濕陷量預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法等方面形成了較為系統(tǒng)的認(rèn)知，但模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本高、可重復(fù)性不強(qiáng)，現(xiàn)有數(shù)值模擬方法理論依據(jù)不足，三者均不能直接運(yùn)用于濕陷性黃土隧道工程設(shè)計(jì)，尚缺乏一種適用于濕陷性黃土隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)用性檢算分析方法。

大量工程實(shí)踐表明，面臨地基濕陷問題的黃土隧道一般埋深較小，此類隧道修建過程中往往會(huì)在圍巖中形成貫通至地表的裂縫[11]，作用在隧道結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力更加符合松散塊體計(jì)算理論。因此，對(duì)于黃土隧道圍巖濕陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)作用問題，可采取隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常用的荷載-結(jié)構(gòu)法，即通過松散塊體理論計(jì)算圍巖壓力，按彈性地基梁理論設(shè)置合理的圍巖約束條件，計(jì)算分析圍巖濕陷前后襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征及變化規(guī)律，為濕陷性黃土隧道結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 荷載-結(jié)構(gòu)模型分析思路

荷載-結(jié)構(gòu)模型將襯砌結(jié)構(gòu)分解為有限個(gè)離散的、彼此在端點(diǎn)相互連接的、偏心受壓的等直梁單元來模擬，通過在各節(jié)點(diǎn)上設(shè)置一系列沿外法向分布且僅承受壓力的彈簧單元來模擬圍巖彈性抗力作用，如圖1所示，同時(shí)將外荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)上的等效荷載，通過矩陣位移法建立襯砌結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移間的關(guān)系，如式(1)所示，再根據(jù)一定的位移邊界條件，求解剩余未知節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而得到整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形。

圖1 荷載-結(jié)構(gòu)模型計(jì)算簡圖

(1)

(2)

因此，利用荷載-結(jié)構(gòu)模型分析黃土圍巖濕陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，關(guān)鍵在于解決黃土圍巖浸水增濕過程中的圍巖壓力以及圍巖基床系數(shù)的變化取值兩方面問題。

2 分析方法及關(guān)鍵參數(shù)

2.1 考慮浸水增濕的圍巖壓力計(jì)算方法

既有研究表明[12-14]，我國淺埋黃土隧道的圍巖壓力較為符合謝家烋理論及太沙基理論計(jì)算結(jié)果，深埋黃土隧道較為符合太沙基理論及現(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱“鐵隧規(guī)”)的統(tǒng)計(jì)式計(jì)算結(jié)果[15]。因此，選用此3種計(jì)算理論分別確定不同埋深黃土隧道的圍巖壓力，以盡可能涵蓋實(shí)際可能發(fā)生的工況條件。

由于上述3種松動(dòng)圍巖壓力計(jì)算理論均是通過構(gòu)建滑移塊體或松散體自重與潛在滑面抗滑力及支護(hù)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)壓力之間的力學(xué)平衡關(guān)系，濕陷性黃土圍巖浸水后重度和抗剪強(qiáng)度的變化會(huì)對(duì)最終圍巖壓力計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生重要影響。相關(guān)研究表明[16]，黃土的黏聚力c隨含水量w增大而顯著減小，二者近似呈冪函數(shù)關(guān)系；摩擦角φ隨含水量w變化相對(duì)較小，二者近似呈線性關(guān)系。將強(qiáng)度指標(biāo)隨含水率變化的函數(shù)分別代入圍巖壓力計(jì)算公式中，即可得到黃土隧道圍巖浸水增濕過程中不同含水率條件下的圍巖壓力。

基于寶蘭客專蘭州境內(nèi)典型濕陷性黃土場(chǎng)地探井試樣在原狀及飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)，得到蘭州地區(qū)Q3黃土強(qiáng)度參數(shù)c、φ隨含水率w的整體變化情況，如圖2所示，并利用最小二乘法擬合得到該強(qiáng)度參數(shù)與含水率的相關(guān)關(guān)系，即

c=863.73w-1.393

φ=33.618-0.498 8w

(3)

圖2 蘭州地區(qū)Q3黃土強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化情況

選取蘭州地區(qū)曾開展現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)的典型濕陷性黃土隧道[9]為分析對(duì)象，按現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)試坑下方隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸及埋深情況，將場(chǎng)地簡化為均質(zhì)地層并取隧道拱頂埋深處土樣的物理力學(xué)參數(shù)，建立隧道圍巖壓力計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)隧道圍巖壓力計(jì)算模型

圍巖增濕過程按全地層整體均勻增濕考慮，結(jié)合上述黃土圍巖強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化關(guān)系，可得到不同計(jì)算理論下試驗(yàn)隧道承受的圍巖壓力在圍巖增濕過程中的變化情況，如圖4所示?？梢钥闯觯邳S土圍巖自低濕度發(fā)展至飽和過程中，由于圍巖容重的增大及抗剪強(qiáng)度的衰減，各計(jì)算方法得到的豎向圍巖壓力均有顯著增長，但均小于相應(yīng)濕度下的地層自重應(yīng)力。

圖4 試驗(yàn)隧道拱頂豎向圍巖壓力隨含水率變化

2.2 黃土圍巖浸水增濕基床系數(shù)確定方法

基床系數(shù)表示了原位土層在小變形條件下荷載與變形的線性關(guān)系，其大小反映了土體剛度的強(qiáng)弱，而濕陷性黃土一旦遭遇浸水，剛度驟降，會(huì)造成基床系數(shù)減小，其與土體含水率近似呈線性遞減關(guān)系[17-18]?；诩扔醒芯拷⒌狞S土基床系數(shù)與相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)建立的換算關(guān)系式[19-21]，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地探井原狀試樣室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[9]，對(duì)場(chǎng)地各深度Q3黃土地層的基床系數(shù)進(jìn)行試算，并將計(jì)算結(jié)果與規(guī)范建議值、場(chǎng)地周邊寶蘭客專正線黃土隧道K30載荷試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終選定式(4)作為本試驗(yàn)場(chǎng)地黃土圍巖基床系數(shù)的計(jì)算式，進(jìn)而得到試驗(yàn)場(chǎng)地各個(gè)深度地層浸水前后的豎向基床系數(shù)Kv變化情況，如圖5所示?？梢钥闯?，兩探井地層天然濕度條件下的基床系數(shù)在50～150 MPa/m范圍內(nèi)變化，整體隨埋深增大稍有增大，符合一般Q3黃土實(shí)測(cè)基床系數(shù)的變化規(guī)律。

(4)

式中，m、n為擬合系數(shù)，對(duì)于Q3黃土取m=108.5、n=-1.714 8；Es1-2為作用壓力p=100～200 kPa下的壓縮模量，MPa；av1-2為相應(yīng)條件下的壓縮系數(shù)，MPa-1。

根據(jù)圖5所示結(jié)果，兩探井黃土試樣浸水飽和后基床系數(shù)均發(fā)生了不同程度的衰減變化，但由于各土層初始基床系數(shù)大小不一，僅根據(jù)浸水前后基床系數(shù)的絕對(duì)差值大小難以反映其變化程度，而通過變化率η來表示則更為直觀。定義η為浸水前后基床系數(shù)變化值與原始值的比率，如式(5)所示，得到該場(chǎng)地基床系數(shù)最大變化率ηmax=49.3%(TJ2-6 m)，反映出該深度土層浸水飽和后的基床系數(shù)僅為天然狀態(tài)值的一半；最小變化率約為ηmin=0(TJ1-31 m)，即相應(yīng)土層浸水前后基床系數(shù)未發(fā)生變化。

(5)

圖5 浸水試驗(yàn)場(chǎng)地地層基床系數(shù)隨深度變化

式中，Kv0為天然濕度狀態(tài)下的基床系數(shù)，MPa/m；Kvsat為浸水飽和狀態(tài)下的基床系數(shù)，MPa/m。

基床系數(shù)變化率η反映了黃土地層遭遇浸水結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低而導(dǎo)致抗變形能力的衰減程度，從一定程度上表征了黃土水敏性的強(qiáng)弱。而黃土濕陷就是由于浸水引起剛度降低所導(dǎo)致的附加變形，其濕陷性大小一般用濕陷系數(shù)δs表示，δs越大，表明浸水引起的附加變形越大，即反映出黃土抗變形能力的降低程度越大，反之亦然。因此，基床系數(shù)變化率η與濕陷系數(shù)δs所表示的本質(zhì)相似，均反映了浸水對(duì)黃土抗變形能力的影響程度，二者具有一定的相關(guān)關(guān)系。

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)地各土層浸水前后基床系數(shù)變化率與濕陷系數(shù)關(guān)系

利用式(5)求得試驗(yàn)場(chǎng)地兩探井各深度土層浸水前后的基床系數(shù)變化率，并將其與相應(yīng)位置測(cè)得的濕陷系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系繪于圖6中，從數(shù)據(jù)點(diǎn)的整體分布上來看，濕陷系數(shù)δs越大，浸水前后黃土的基床系數(shù)變化率η越大，反映出黃土圍巖的濕陷性大小不同，其遭遇浸水后基床系數(shù)的變化程度存在顯著差別，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)造成的力學(xué)影響亦不相同。

采用最小二乘法擬合得到黃土圍巖基床系數(shù)減小率η與濕陷系數(shù)δs的相關(guān)關(guān)系，如式(6)所示。當(dāng)δs<0.015時(shí)，η基本小于20%，特別是δs<0.01時(shí)，η僅在8%以下，即非濕陷性黃土圍巖遭遇浸水會(huì)發(fā)生微弱軟化，基床系數(shù)變化程度很?。划?dāng)濕陷系數(shù)0.015≤δs≤0.07時(shí)，η介于20%～40%之間，即對(duì)具有輕微或中等濕陷性的黃土圍巖，遭遇浸水后圍巖基床系數(shù)會(huì)發(fā)生明顯降低；而當(dāng)δs>0.07時(shí)，η接近甚至超過50%，即濕陷性強(qiáng)烈的黃土圍巖遭遇浸水，其基床系數(shù)會(huì)降低至初始值的一半以下。

η=(5.805 1δs+0.064 3)×100%

(6)

將上述考慮圍巖浸水增濕的圍巖壓力取值及圍壓基床系數(shù)變化取值均代入式(2)，即可求得相應(yīng)濕陷性黃土圍巖浸水增濕條件下襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化。

3 試驗(yàn)隧道圍巖濕陷作用計(jì)算分析

3.1 模型建立及分析工況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)隧道為馬蹄形斷面[9]，高度7.6 m、跨度7.2 m，襯砌厚40 cm，根據(jù)試驗(yàn)隧道斷面形式建立荷載-結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，將場(chǎng)地簡化為均一地層并取隧道拱頂埋深處土樣的物理力學(xué)參數(shù)，其天然狀態(tài)下重度γ0=14.95 kN/m3、黏聚力c0=30.6 kPa、內(nèi)摩擦角φ0=25.1°；飽和狀態(tài)下γsat=17.77 kN/m3、csat=7.9 kPa、φsat=19.2°。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，隧道埋設(shè)范圍地層天然濕度下的基床系數(shù)平均值為K0=141.1 MPa/m，作為天然狀態(tài)下的計(jì)算參數(shù)；將該深度范圍地層測(cè)得的最大濕陷系數(shù)δs=0.063代入式(6)，得到圍巖浸水基床系數(shù)變化率為43%，即圍巖飽和后的基床系數(shù)Ksat=80.4 MPa/m。通過調(diào)整浸水區(qū)域計(jì)算參數(shù)，模擬浸水濕陷過程中的圍巖壓力增大和圍巖約束軟化作用，計(jì)算工況如表1所示。

表1 不同浸水濕陷條件下圍巖壓力及圍巖約束軟化范圍

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特征

3.2.1 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律

圖7 不同浸水條件下襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布(鐵隧規(guī)法)

圖7為“鐵隧規(guī)法”確定圍壓壓力條件下不同浸水濕陷狀態(tài)對(duì)應(yīng)的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布變化情況，可以看出，在浸水開始前的初始狀態(tài)，襯砌內(nèi)力較小，彎矩值介于60.2～-109.3 kN·m之間(彎矩圖繪于受拉側(cè)，正值為襯砌內(nèi)表面受拉)；當(dāng)拱頂以上圍巖發(fā)生浸水濕陷，在較大的上覆圍巖壓力增量作用下，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力出現(xiàn)明顯增長，彎矩值增至122.0～-246.9 kN·m之間，增幅約1倍；當(dāng)浸水濕陷區(qū)域發(fā)展至墻腳以下，仰拱中部彎矩出現(xiàn)陡增，彎矩圖呈明顯凸起，中部最大值增至249.7 kN·m，墻腳最大負(fù)彎矩增至-307.6 kN·m；當(dāng)隧道周圈圍巖全部浸水，仰拱彎矩凸起狀況有所恢復(fù)，整體彎矩值有所降低，最終介于183.6～-293.6 kN·m之間。

由此可見，黃土圍巖浸水濕陷會(huì)引起襯砌內(nèi)力的顯著增大，并改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布形式，仰拱中部會(huì)形成顯著的正彎矩作用，內(nèi)表面受拉；墻腳形成應(yīng)力集中，承受較大負(fù)彎矩作用，二者均為結(jié)構(gòu)受力的最不利位置，可作為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算的控制點(diǎn)，用以判斷圍巖浸水濕陷過程中結(jié)構(gòu)破壞與否。

3.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)破壞特征分析

將上述結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算控制點(diǎn)的內(nèi)力結(jié)果代入“鐵隧規(guī)”襯砌結(jié)構(gòu)偏心受壓構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算公式中，可得到相應(yīng)截面承載安全系數(shù)隨浸水濕陷的發(fā)展變化情況。圖8為仰拱中部截面承載安全系數(shù)隨圍巖浸水濕陷深度的變化曲線，其中，橫坐標(biāo)地表水入滲程度“0、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、IV”分別表示浸水開始前的初始狀態(tài)、浸水至拱頂埋深、浸水至墻腳埋深、浸水至墻腳以下、隧道埋設(shè)范圍全部浸水5種浸水條件。

圖8 仰拱中心截面強(qiáng)度安全系數(shù)變化曲線

由圖8可以看出，隨著浸水入滲深度增大，仰拱中部截面強(qiáng)度安全系數(shù)會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減變化。其中，當(dāng)浸水濕陷深度達(dá)到墻腳埋深前(浸水條件Ⅰ、Ⅱ)，由于圍巖壓力及圍巖約束軟化范圍的持續(xù)增大，截面抗壓及抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)Kc、Kt均顯著降低，但其值大于1，結(jié)構(gòu)仍處于安全狀態(tài)；當(dāng)浸水深度達(dá)到墻腳以下時(shí)(浸水條件Ⅲ)，墻腳附近局部地基軟化，承載力降低，仰拱結(jié)構(gòu)沿橫向出現(xiàn)不均勻沉降變形，仰拱中心截面抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)Kt降低至1以下，表明仰拱中部內(nèi)表面出現(xiàn)拉裂破壞，同時(shí)，該截面抗壓強(qiáng)度安全系數(shù)Kc也在1左右，其外表面也達(dá)到抗壓破壞臨界狀態(tài)；當(dāng)浸水濕陷范圍最終擴(kuò)展至整個(gè)隧道埋設(shè)范圍時(shí)，基底約束均發(fā)生軟化，仰拱受力變形更為協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)均增長至1以上，恢復(fù)至安全狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn)揭示的隧道仰拱中部出現(xiàn)縱向開裂形成機(jī)理一致。

3.3 與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證分析

3.3.1 襯砌變形趨勢(shì)對(duì)比

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得了初支和襯砌間接觸壓力增量在圍巖浸水濕陷過程中的發(fā)展變化情況，該值可近似反映出襯砌受到的擠壓或拉伸作用，以及變形趨勢(shì)情況(圖9)。為驗(yàn)證上述3種黃土隧道圍巖壓力確定方法分析結(jié)果的合理性，按現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中隧道斷面布設(shè)的7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位選取計(jì)算模型中對(duì)應(yīng)的梁單元，提取相應(yīng)浸水濕陷條件下的單元彎矩增量，并繪于圖10中，可以看出，鐵隧規(guī)法和太沙基法得到的浸水濕陷深度到達(dá)墻腳埋深時(shí)結(jié)構(gòu)頂部受到較小的下壓作用，拱腰彎矩很小，近似呈軸心受壓狀態(tài)，僅謝家烋法計(jì)算結(jié)果顯示出結(jié)構(gòu)拱腰受到較為明顯的側(cè)向擠壓作用，頂部有向上拱起的趨勢(shì)，更加接近實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)襯砌接觸壓力隨浸水深度變化[9]

圖10 不同浸水濕陷條件襯砌結(jié)構(gòu)彎矩增量變化(單位：kN·m)

3.3.2 基底壓力變化對(duì)比

為將基底壓力變化計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選取文獻(xiàn)[9]中隧道斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)(XK140截面YN9)對(duì)應(yīng)的模型單元位置，整理相應(yīng)濕陷條件下的基底壓力增量發(fā)展變化情況，如圖11所示?？梢钥闯?，各計(jì)算方法得到的基底壓力增量整體變化規(guī)律均與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果較為一致，即浸水入滲深度到達(dá)隧道埋深以前基底壓力增幅較小，當(dāng)浸水深度到達(dá)隧道埋深并向墻腳以下入滲時(shí)，基底中部壓力會(huì)出現(xiàn)突增變化，隨著浸水范圍的進(jìn)一步發(fā)展，基底壓力有所降低。其中，太沙基法計(jì)算結(jié)果整體偏小，基于謝家烋法得到的基底壓力增量變化規(guī)律最為符合實(shí)測(cè)結(jié)果。

圖11 不同圍巖壓力計(jì)算方法基底壓力增量變化對(duì)比

綜上所述，該計(jì)算方法得到的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及基底壓力變化規(guī)律均與實(shí)測(cè)結(jié)果相符，且通過強(qiáng)度驗(yàn)算可以判定襯砌結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞以及破壞發(fā)生位置，因此，該方法可用于分析黃土隧道基底濕陷發(fā)生條件及其對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用，并根據(jù)不同濕陷條件下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全判別來確定隧道地基濕陷評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。此外，通過上述計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，反映出按謝家烋理論確定黃土隧道圍巖濕陷過程中的圍巖壓力更符合實(shí)際。

4 結(jié)論

(1)基于隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中荷載-結(jié)構(gòu)模型的基本理論，以及黃土隧道圍巖浸水濕陷過程中表現(xiàn)出圍巖壓力增大和圍巖約束軟化的兩大特征，提出了考慮黃土圍巖浸水的圍巖壓力計(jì)算方法，并通過建立黃土地層浸水前后基床系數(shù)變化率η與濕陷系數(shù)δs的線性增長關(guān)系，提出了考慮浸水濕陷作用的黃土圍巖基床系數(shù)確定方法，進(jìn)而建立黃土隧道圍巖濕陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)作用的荷載-結(jié)構(gòu)模型分析方法。

(2)利用上述荷載-結(jié)構(gòu)模型分析方法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)隧道在圍巖浸水過程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及基底壓力變化進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果顯示，黃土圍巖浸水濕陷會(huì)引起襯砌內(nèi)力顯著增大，并改變結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布形式，在仰拱中部會(huì)形成顯著的正彎矩作用，內(nèi)表面受拉；仰拱端部形成應(yīng)力集中，承受較大負(fù)彎矩作用，二者均為結(jié)構(gòu)受力的最不利位置，特別是當(dāng)水分繞甚至墻腳地基，仰拱結(jié)構(gòu)中部內(nèi)表面受拉顯著，易形成縱向拉裂破壞。

(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了該分析方法的合理性，且反映出基于謝家烋理論計(jì)算圍巖濕陷前后的圍巖壓力最為接近實(shí)際情況，可為濕陷性黃土隧道襯砌結(jié)構(gòu)冗余設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本方法目前暫未考慮圍巖逐步增濕過程中圍巖壓力和約束軟化漸變對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)作用，后續(xù)可進(jìn)一步分析如何納入時(shí)間因素的影響。