考虑岩体流变的隧道锚长期稳定性研究

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(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，长沙 410014;

2.湖南省高速公路管理局，长沙 410014)

1 问题的提出及研究思路

隧道锚锚塞体的作用主要是将桥梁设计的主缆力传递于山体中的稳定围岩，从而形成锚塞体和围岩共同受力体。而围岩体是一种流变性材料，具有长期时效性，这就给隧道锚工程安全稳定分析带来2个问题：第1，围岩与混凝土接触面的力学强度特性如何计算？第2，如何考虑围岩的长期流变影响(包括变形和稳定性)？

隧道锚长期稳定性计算分析的关键在于力学模型及参数的确定。为了解决上述2个问题，综合考虑文献调研、专家咨询、工程类比等成果[1-12]，拟采用研究思路为：①通过混凝土与围岩长期剪切强度试验获得混凝土与围岩接触面的长期强度参数，并采用FLAC3D软件中的接触面单元模拟锚塞体与围岩的接触关系；②采用FLAC3D软件中的CVISC黏弹塑模型模拟围岩的长期流变作用，采用单轴压缩流变试验获得CVISC黏弹塑模型中相关参数；③将CVISC黏弹塑模型及长期接触面模型融入概化的依托工程隧道锚模型中，通过仿真分析获得设计主缆力正常工作条件下围岩、锚塞体的位移变化规律以及稳定性评价。

2 CVISC模型及参数识别

2.1 CVISC模型理论基础

FLAC3D软件中的Burgers模型与Mohr-Coulomb模型串连而成的复合黏弹塑性模型CVISC模型，其一维应力状态下的流变模型如图1所示。该模型由马克斯韦尔模型、开尔文模型和一个塑性元件串连而成。σ为岩土体应力，EM,EK,ηM,ηK分别为弹性模量、黏弹性模量、马克斯韦尔黏性系数和开尔文黏性系数，σf为岩土体材料的屈服强度，εM,εK,εP分别为马克斯韦尔体、开尔文体的应变和塑性应变。

图1 FLAC3D中的CVISC模型图

2.2 CVISC模型流变参数识别

流变模型参数可由单轴压缩流变试验[3]获得，岩石的压缩流变是指岩石在轴向压缩状态下表现出来的变形随时间增长而变化的力学特性。单轴流变试验方法及流程如下所述。

2.2.1 试验方法

岩石试件取自于左锚锭洞深42 m处弱风化粉砂质泥岩。将试件加工分组，在天然状态下进行单轴压缩流变试验。选取6块试件进行单轴压缩流变试验，以确定岩石的长期强度。岩石的单轴压缩流变试验是在3台大型土工压缩仪上同时进行，压缩仪的最大加载能力为1 000 kN，由数显千分表与荷重传感器自动采集试件的变形与施加的应力。试验采用分级加载方式，加荷应力由低到高，第1级为2.0 MPa，应力间隔参照试件变形情况确定，变形稳定后施加下一级荷载，直到试件破坏为止。

2.2.2 试验结果

6块岩石试件流变试验编号为：1-3，1-6，1-7，1-8，1-9，1-10。各试件单轴压缩流变时间见表1。各试件单轴压缩流变试验曲线成果见图2，单轴压缩流变试验前、后实物图见图3。

表1 单轴压缩流变加载时间

图2 试件单轴压缩流变曲线

单轴压缩流变试验结果表明：在低应力水平下，流变变形相对较小；在经过短时间初期流变之后，变形趋于稳定。

图3 单轴压缩流变实物

2.2.3 CVISC流变模型参数取值

根据6块岩石压缩流变试验的试验结果，综合考虑现场地质条件、工程重要性等级及室内试验条件等其它因素的影响，根据第2.2节理论推导，结合单轴压缩流变试验资料可得CVISC模型中各参数见表2,表2参数物理含义详见第2.1节。

表2 围岩CVISC模型参数建议值

2.3 围岩与混凝土接触面长期强度参数取值

2.3.1 试验过程及方法

南锚碇隧道锚锚塞体混凝土与岩体接触面长期抗剪强度主要通过剪切流变试验获得。长期剪切强度试验主要进行了5块剪切流变试验，试件编号为：2-2，2-3，2-4，2-5，2-9。抗剪强度试验试件制备、试验过程、试验结果整理等参照《水利水电工程岩石试验规程》执行。部分剪切试验曲线结果见图4，剪切流变试验前、后实物见图5。

图5 剪切流变试验实物

2.3.2 试验结果分析

根据剪切流变试验的试验结果，参照《水利水电工程岩石试验规程》取值方法、综合考虑现场地质条件、工程重要性等级及室内试验条件等其它因素的影响，接触面模型中各强度参数见表3。

试验结果表明：所有试件基本沿围岩与混凝土剪切面发生剪切破坏。试验结果显示：围岩混凝土接触面短期剪切强度值为0.33～1.25 MPa，围岩与混凝土接触面长期剪切强度值为0.23～0.79 MPa，与短期剪切强度值相比，长期强度降低27.69 %～45.71 %。根据围岩与混凝土接触面长期剪切强度试验结果，综合现场工程地质条件及类似工程经验等，围岩与混凝土接触面长期剪切强度建议值取值为：黏聚力155 kPa，内摩擦角32°。

3 工程应用

3.1 工程概况

拟建的某跨江大桥全长1 305 m，主桥上部结构为820 m单跨悬索桥，主梁为钢箱梁，主缆索塔为门式框架，下部为钻孔灌注桩基础。大桥南岸锚碇拟采用隧道式预应力复合锚碇结构。从大桥南岸隧道锚锚固区工程地质条件来分析：隧道锚洞室岩体主要为侏罗系上统蓬莱镇组(J3p)，以粉砂质泥岩为主，局部含薄层砂岩，在整个场地连续分布；锚固范围内岩体为弱风化和强风化岩体，围岩类别分别为Ⅳ类和Ⅴ类，依据岩体的变形和强度参数判别，属于软岩，其承载力和稳定性相对较低。

3.2 概化计算模型

计算模型共划分单元268 241个，节点总数为117 090；采用接触面单元模拟围岩与锚塞体混凝土之间的相互作用，接触面单元3 600个，接触面单元节点总数为1 920。详见图6。按照设计主缆拉力(2根主缆拉力T=3.154×105kN, 后锚面单位面积均布荷载P=519.439 6 kPa)模拟了锚塞体加载过程。

图6 计算模型概化图

计算思路为：首先，对整个模型赋弹性模型计算初始应力场；其次，赋弹塑性模型于整个模型，并计算隧道锚锚碇室开挖支护及隧道锚荷载施加；然后，将位移场清零，(为提高计算效率，在不影响计算精度的前提下)隧道锚附近区域围岩赋CVISC流变模型，远离隧道锚区域围岩赋弹塑性模型，计算在1倍主缆力加载过程中隧道锚运营期100 a后锚塞体、围岩的流变位移场、应力场及接触面剪切流变位移变化规律。

3.3 计算结果及分析

3.3.1 计算说明

为方便计算结果的说明，图7为流变计算锚塞体位移、应力监控点的位置示意图, 此次计算的目的主要是为研究围岩流变对锚塞体的影响，广义的围岩流变认为流变是指应力状态不变的条件下变形、应变随时间而增长的性质，因此计算结果主要集中于流变位移场性质研究。

图7 流变计算位移、应力监控点

3.3.2 计算结果分析

锚塞体流变位移计算结果见图8，不同时间下接触面最大剪切流变位移计算结果见表4，围岩流变位移计算结果见图9及表5。

图8 锚塞体监控点流变位移随时间变化

图9 1 a后y=-22 m剖面位移云图

表4 不同时间下接触面最大剪切位移计算结果

表5 计算值

监控点位移计算结果显示：随着时间增长，锚塞体位移会有一定增长；主缆力施加后初期，锚塞体位移增长速率较快；施加主缆拉力后0.5～2 a内，锚塞体位移增长速率明显减缓；施加主缆拉力后4～100 a内，锚塞体位移基本不变。1倍设计主缆拉力(1P)作用下100 a内锚塞体监控点流变位移最大值约1.43 mm。锚塞体位移分布特征为：最大值出现在锚塞体底部，且随着锚塞体断面面积变小锚塞体断面位移逐渐减小，分析其原因可能为锚塞体受荷作用类似于地基桩基础受载，锚塞体断面面积越小离后锚面将越远，其受荷载作用影响越小，故其位移将减小。

表4接触面剪切位移表明：1倍设计主缆拉力(1P)作用下100 a内接触面最大剪切位移约1.49×10-3mm,接触面剪切位移值相对较小。

图9及表5围岩变形分布情况表明，在计算时间范围内，y=22 m剖面及y=-22 m剖面,围岩位移特征为：1倍设计主缆拉力(1P)作用下锚塞体周边围岩最大位移计算值为2.0～3.2 mm。

4 结 论

通过以上分析，可以得出以下结论：

(1)以FLAC3D软件中CVISC流变模型为理论基础，通过单轴压缩流变试验及长期接触面抗剪强度试验获得与岩体流变相关的力学参数，并将CVISC模型和获得的参数融入隧道锚数值仿真模型，进行长期稳定性分析，此方法具有一定可行性，可为其它类似工程研究提供思路。

(2)依托封场长期稳定性分析结果表明：隧道锚在1倍设计主缆力施加后100 a内，锚塞体、围岩、锚塞体与围岩接触面长期变形小，较符合工程设计安全要求。

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