拉林铁路隧道富水冰碛层力学特性研究

郑宗溪，王 岩，刘大刚，胖 涛，刘金松

（1.中铁二院工程责任有限公司，四川成都 610031；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；3.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031）

随着川藏线工程的展开，高原特殊地质问题成为了热点问题。在建的川藏线拉林（拉萨—林芝）铁路共计有6 座隧道穿越富水冰碛层，总长近2 600 m。但目前国内外关于冰碛层隧道研究较少，建设中存在地质工程特性认识不清、围岩预加固及隧道结构设计无据可循、地质预测预报及施工经验不足等技术难题。因此，针对拉林铁路出现的冰碛层进行力学性质研究显得尤为重要。

冰碛层是第四纪冰川融化过程中漂石、碎石、砂砾、粉土和黏土在毫无分选的条件下快速混杂堆积形成的一种特殊岩土材料［1-6］。冰碛层不仅具有密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、透水性较强等一般粗粒土特性，也有分选性差、大小颗粒混杂等独特性质。吕士展等［7］认为冰碛层的宏观特征是无分选、无定向、无磨圆、无层理。谢春庆［8］通过水文地质试验、载荷试验、抗剪试验研究了冰碛层的工程性能，得出了冰碛层填料总体干密度大、密实度较高、渗透性低、承载力高、低变形、抗剪能力高等特点。木勋等［9］通过渗透试验得出冰碛层填料渗透性好，属于中透水层。于洪翔等［10］发现西藏自治区林州县冰水堆积物中泥砾部分主要为底碛，坝区的冰水堆积物主要是冰川和冰融水所形成的地形和堆积物，含泥量明显高于现代河床冲积物，且随深度增加孔隙变小、密度增大。

综上所述，对川藏线拉林铁路隧道穿越的富水冰碛层进行大型三轴剪切试验，探究相对密实度、含水率对富水冰碛层的影响规律，同时分析围压对于冰碛层峰值强度的影响。试验结果对后续工程建设具有指导意义。

1 试验设备及材料制备

1.1 试验设备

冰碛层采用传统的三轴试验会因颗粒粒径过大而无法得到试验结果，而大型三轴剪切试验主要针对颗粒粒径不大于60 mm 的土进行试验。大型三轴剪切试验仪是一种较为理想的研究仪器。因此，选用应力路径控制的大型三轴剪切试验仪，轴向应力、应变、围压等参数均由计算机自动采集。其主要技术参数见表1。

表1 大型三轴剪切试验主要技术参数

1.2 试验材料

试样取自林芝地区藏噶隧道，呈灰白色，颗粒大小混杂，分选性差。对试样进行密度试验，可知冰碛层土的最小干密度为1 980 kg/m3，最大干密度为2 310 kg/m3。对试样进行颗粒筛分试验，得到颗粒粒径级配曲线见图1。

图1 颗粒粒径级配曲线

对图1进行分析，可计算出试样的曲率系数Cc为5.46，不均匀系数Cu为35.84，故本次冰碛层试样为级配不良土。

1.3 试样制备

1.3.1 不同相对密实度试样制备

根据大型三轴试验仪器的操作要求，在进行试样制备时，试样的高度应保持在60 cm 左右且相对密实度不能过低，否则会使试样坍塌。相对密实度按照0.56，0.67，0.82，0.95 的标准进行试验。根据试样的密度试验、含水率试验结果，可计算得到相对密实度为 0.56，0.67，0.82，0.95 时试样的总质量分别为93.38，95.00，97.30，99.40 kg。在进行试样填充时，采用分层填充的方法，每一层均压实，防止出现人为的破坏面。

1.3.2 不同含水率试样制备

根据土力学三相指标的计算公式，可得到含水率与相对密实度的计算公式为

式中：w为含水率；Sr为饱和度；emax为最大孔隙比；emin为最小孔隙比；Dr为相对密实度；Gs为土的相对密度。

通过计算得到相对密实度为0.56，0.67，0.82，0.95 时试样饱和含水率分别为10.39%，9.60%，8.51%，7.58%。可知，试样的相对密实度越高，其饱和含水率越低。

为了研究水对于试样峰值强度、黏聚力、内摩擦角的影响关系，采用相对密实度为0.56、不同含水率的试样进行研究。试样含水率分别为2.30%（天然状态），5.07%，7.84%，10.39%（饱和状态）。经计算，得到试样制备时所需试样质量及水的质量，见表2。在制备不同含水率试样时，先将水加入试样中，然后用塑料袋铺好，密封24 h后进行试验。

表2 不同含水率试样所需水的质量

2 试验结果及分析

对试样进行大型三轴剪切试验，采用电液伺服机制保持围压的稳定。在试验过程中，围压分别采用100，200，300 kPa对试样进行剪切压缩，以偏应力不再剧烈改变或者轴向应变达到20%作为控制标准。

2.1 不同相对密实度试验结果

经剪切试验，得到不同相对密实度试样的应力应变曲线，见图2。可知，相对密实度为0.56 和0.82 的试样在围压100～300 kPa 下应力应变曲线无明显的峰值点；相对密实度为0.67 和0.95 的试样在围压100～300 kPa下的应力应变曲线有明显的峰值点。

图2 不同相对密实度试样的应力应变曲线

针对图2中没有明显峰值点的应力应变曲线，一般按工程经验取应变为20%时所对应的应力作为峰值强度。绘制不同围压下试样峰值强度、峰值强度增长率与相对密实度的关系曲线，见图3。

图3 试样峰值强度、峰值强度增长率与相对密实度的关系曲线

由图3可知：峰值强度随相对密实度的增加呈现先缓慢增加后趋于平稳的趋势；围压为100 kPa 时，峰值强度增长率随相对密实度的增加呈现较大的增长趋势，最大的峰值强度增长率将近71%；而随着围压的增大，峰值强度的增加趋势不再明显，峰值强度增长率在60%左右，说明随着围压的增大，相对密度对峰值强度的增长影响逐渐减弱。这是因为在高围压状态下试样本身就被压密实，孔隙率比初始试样要更小。

以围压作为最小主应力，峰值强度与围压的和作为最大主应力，可以绘制出摩尔应力圆。若采用摩尔库伦准则，假设其强度包络线为一直线，根据最小二乘法可以拟合出一条公切线，则可以得到不同密实度情况下试样的黏聚力及内摩擦角，见表3。可知，相对密实度从0.56 变化至0.95 时，黏聚力的变化范围为52.12～114.36 kPa，内摩擦角的变化范围为 39.23°～47.57°。这说明随着试样越来越密实，冰碛层颗粒间接触紧密，咬合力增加，难以破坏，其黏聚力有显著的增加；而内摩擦角除在相对密实度为0.56 时较小以外，其余相对密实度时内摩擦角的变化均不大，稳定在45°～48°。说明相对密实度对于内摩擦角的影响有限，当相对密实度超过0.67 时，其对内摩擦角的影响会逐渐减弱。

表3 不同相对密实度试样基本力学指标

2.2 不同含水率试验结果

经剪切试验，得到不同含水率下试样的应力应变曲线，见图4。可知，4 种含水率的试样在围压100～300 kPa下应力应变曲线无明显的峰值点。

图4 不同含水率时试样的应力应变曲线

取图4中应变为20%时所对应的应力作为峰值强度。绘制不同围压下试样峰值强度、峰值强度增长率与含水率的关系曲线，见图5。由图5（a）可知，峰值强度随含水率的增加呈现先增加后减小的趋势，含水率达到饱和含水率时峰值强度急剧减小。由图5（b）可知，不同含水率下围压对试样峰值强度增长率的影响较小。其主要原因是含水率改变了土颗粒之间的黏结强度，而围压的作用使试样更加密实。

图5 试样峰值强度、峰值强度增长率与含水率的关系曲线

根据得到的峰值强度，绘制不同含水率下的摩尔应力圆，从而得到不同含水率下试样的黏聚力及内摩擦角，见表4。可知：①含水率从2.30%变化至10.39%时，黏聚力的变化范围为15.51～69.70 kPa，内摩擦角的变化范围为34.34°～43.02°。试样的黏聚力随着含水率的增加呈现先缓慢增加而后急剧减小的趋势，原因是试样中水的含量接近饱和含水率时，试样中颗粒与颗粒之间的黏结减弱，其黏聚力会急剧衰减。②试样的内摩擦角随含水率的增加整体呈先缓慢增加而后降低的趋势，在含水率为5.07%～7.84%时，内摩擦角减弱的幅度较少，曲线基本趋于平缓。原因是含水率增大，结合水膜厚度增加，黏结力逐渐减弱，颗粒间摩擦力的减小，致使内摩擦角随含水率的增大而降低，但变化幅度较小。

表4 不同含水率试样基本力学指标

3 结论

1）相对密实度、含水率对冰碛层的峰值强度、黏聚力、内摩擦角均有影响。含水率对冰碛层的影响程度要大于相对密实度，因此在实际的工程应用中，应当注意冰碛层的含水率。

2）冰碛层的峰值强度随相对密实度的增加呈现先缓慢增加后逐渐平稳的变化趋势；黏聚力随相对密实度的增加先减小后增大，总体呈现出逐渐增大的趋势；内摩擦角与相对密实度无明显的变化关系。

3）冰碛层的峰值强度随含水率的增加呈现先增大后减小的变化趋势，黏聚力随含水率的增加呈现先缓慢增加后急剧减小的变化趋势，内摩擦角随含水率的增加呈现先缓慢增加后降低的变化趋势。其饱和含水率下的黏聚力为天然状态下黏聚力的23%，说明水量的增加减弱了颗粒间的黏聚作用。

4）当相对密实度较大时，围压对峰值强度的增加不再明显。不同含水率时，围压对冰碛层峰值强度增长率的影响较小，主要是颗粒间的黏聚强度对峰值强度有明显影响。