宝天高速黑岭隧道土、岩及接触面力学特性分析

冯美娜

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

0 引言

宝天高速公路（陕西境）BT4合同段位于陕甘交界的秦岭山区，地形相对高差较大，为中低山～低山区地貌特征。山区植被稀少，黑岭隧道址高程介于629.70m～1035.46m之间，全线隧道最大埋深294.02m。隧道地质为典型的黄土覆盖土、岩接触复杂围岩，为确保施工过程安全，提高施工质量，加快施工进度，项目现场成立研究小组，通过对土、岩及接触面力学特性进行分析，提前选取合理的支护参数，既确保了隧道开挖的安全与进度，又降低了工程造价。

1 试验研究方法

1.1 确定土的基本物理指标

根据中华人民共和国行业标准《土工试验规程》（SL237-2001），对采取的土样进行土的基本物理性质、渗透性及剪切强度试验。所有试验操作均按《土工试验方法标准》GB/T50123—1999进行。

由试验确定的土的物理性质见表1，黑岭隧道采取黄土的天然含水量在19.22%～20.06%之间，砂岩的天然含水量在5.58%～8.01%之间；黄土的干重度在15.65 kN/m3～16.32 kN/m3之间,砂岩的干密度在20.64 kN/m3～24.08 kN/m3之间；黄土的液性指数均小于1，呈坚硬状态，黄土的塑性指数在10.56～15.57，黄土属于粉土或粉质粘土，砂岩呈全风化或强风化。

表1 土、岩接触面上覆黄土及砂岩基本物理特性

土样编号 液限(%) 塑限(%) 塑性指数 液性指数黑岭-1 30.29 17.77 12.52 -0.21黑岭-2 34.17 23.62 10.56 -0.37黑岭-3 38.18 22.61 15.57 -0.37平均值 34.22 21.33 12.88 -0.31小值平均值 32.25 19.55 12.70 -0.26砂岩-1砂岩-2平均值

1.2 原状黄土三轴试验

黑岭1号土样的固结不排水三轴剪切应力—应变曲线，见图1～图4。随着固结围压增大，土的抗剪强度在不断增大；低围压时具有明显的峰值强度，应力应变呈软化型。黑岭2号土样的固结不排水三轴剪切应力—应变曲线，见图5～图8。低围压时具有明显的峰值强度，应力应变呈软化型；随着围压的增大，土的抗剪强度也在不断增大，但增长幅度较小。黑岭3号土样的固结不排水三轴剪切应力—应变曲线，见图9～图12。低围压时具有明显的峰值强度，应力应变呈软化型；随着围压的增大，土的抗剪强度也在不断增大，但在200 kPa～300 kPa围压作用下对应的抗剪强度增长幅度较小。同样固结不排水三轴剪切应力—应变曲线，低围压时具有明显的峰值强度，应力应变呈软化型；随着围压的增大，土的抗剪强度也在不断增大，但在200 kPa～300 kPa围压作用下对应的抗剪强度增长幅度较小，固结不排水三轴剪切应力—应变曲线，固结围压在50 kPa、100 kPa、200 kPa时，应力应变曲线均呈软化型，具有峰值强度。

图1 50 kPa围压下应力应变曲线

图2 100 kPa围压下应力应变曲线

图3 200 kPa围压下应力应变曲线

图4 300 kPa围压下应力应变曲线

图5 50 kPa围压下应力应变曲线

图6 100 kPa围压下应力应变曲线

图7 200 kPa围压下应力应变曲线

图8 300 kPa围压下应力应变曲线

图9 50 kPa围压下应力应变曲线

图10 100 kPa围压下应力应变曲线

图11 200 kPa围压下应力应变曲线

图12 300 kPa围压下应力应变曲线

综合上述3组原状土样固结不排水三轴剪切试验结果，研究表明：

1）土在小围压50 kPa～100 kPa下应力达到峰值后随应变的增加而减小，土产生较为明显的软化现象；2）虽在200 kPa也有软化现象产生，当固结压力为300 kPa时，具有明显的硬化现象；3）由于原状土存在结构性，随着较弱结构单元的变形破坏，较强结构单元的强度将逐渐发挥出来，应变硬化曲线或应变软化曲线，抗剪应力的跳跃性增长表现在剪切过程中。

1.3 重塑饱和黄土的三轴剪切试验

重塑黑岭1号至黑岭3号饱和黄土的应力—应变曲线（饱和固结不排水三轴试验）：

依据饱和重塑土的应力应变曲线表明，重塑土的结构，把原状土样的天然结构破坏，以天然干密度为标准，制备配通过2 mm筛，尽管结构破坏后的土与原来的土体密实度一样，可是原状土原来的胶结结构已被破坏失去作用，粘接力消失，吸力作业消失，饱和重塑土的应力应变告诉我们，破坏后与原状土的土体所表现出来的力学特性差异较大。

1.4 重塑砂土样应力—应变曲线

天然黄土覆盖层下伏的砂岩虽然密实度大但也难以采取原状样，主要原因是风化严重，易碎散。因此，全风化砂岩的变形特性参数在室内制备重塑样来近似确定需采取扰动样。用干密度为16.08 kN/m3制备砂样，重塑砂土样应力—应变曲线的测试结果见图13～图16。

图13 50 kPa围压下应力应变曲线

图14 100 kPa围压下应力应变曲线

图15 200 kPa围压下应力应变曲线

图16 300 kPa围压下应力应变曲线

2 抗剪强度分析

2.1 原状土的抗剪强度

黑岭4组土样的强度包线见图17～图20，确定了相应的固结不排水强度指标。

图17 黑岭1号土强度包线

图18 黑岭2号土强度包线

图19 黑岭3号土的强度包线

图20 黑岭4号土的强度包线

表2 原状土粘聚力c及内摩擦角φ

对同一开挖隧道的相同埋深部位尽管试样采取，但土样因基本物理性质的差别，变现出的力学性质不同；同时，使试样在剪切破坏时有比较明显的剪切破坏面是由于原状土的结构性。试验测定的数据内摩擦角最大值为：32.60，最小值为：18.30，小值平均值为：21.18。根据表2，除黑岭5号样之外，其余土样的内摩擦角分别与小值均值接近。土的粘聚力最大值为：112 kPa，最小值为：40 kPa，小值均值为：55.7 kPa。根据表2所示和结构性力学特性分析，每个土样的粘聚力相差较大。土粘聚力的变化与土样内部本身的土结构及孔隙分布变化密切相关。

2.2 饱和重塑土的抗剪强度

将原状土样扰动后，将原状土相同的干密度控制，采用压样法制备成重塑土样，开始饱和，进行固结不排水三轴剪切试验。根据破坏应变条件下的应力状态绘制莫尔应力圆，确定强度包线及其相应的强度指标。

土的原状土样和强度参数有较大区别，根据饱和重塑土的固结不排水三轴试验结果可知：粘聚力和内摩擦角的小值均值由高降低。与原状土样重塑结构破坏关系密切的主要是土强度指标的变化。土原状结构被破坏后，制备成的重塑土土粒间的胶结连接被破坏，孔隙分布均匀，粒间吸力消失。

2.3 重塑砂土的抗剪强度

全风化砂岩扰动重塑后，控制干密度（16.08 kN/m3）制备砂样的三轴剪切试验，得到的莫尔应力圆及强度包线见图21。重塑砂土的粘聚力为24 kPa，摩擦角为38°。由于砂土干容重较实际全风化砂岩的干容重（22.27 kN/m3）小得多，因此，实际全风化砂岩的强度指标，尤其是粘聚力较测试结果可能要大许多。

图21 重塑砂土的抗剪强度包线

3 结论

宝天高速公路（陕西境）BT4合同段位于陕甘交界的秦岭山区，地形相对高差较大，黑岭隧道址高程介于629.70 m～1035.46 m之间，隧道地质为典型的黄土覆盖土、岩接触复杂围岩。为确保施工过程安全，提高施工质量，加快施工进度，项目现场成立研究小组，采用黄土三轴试验、重塑饱和黄土的三轴剪切试验、重塑砂土样应力—应变曲线测试，对土、岩及接触面进行力学特性分析。从而得出，饱和重塑土较原状土的粘聚力有较大程度的减小，摩擦角较接近，同时也说明原状土结构性的丧失主要是其粘聚力的减小。从而通过对土、岩及接触面力学特性进行分析，提前选取合理的支护参数，既确保了施工安全，又节约了材料，提高了效率。