浅埋膨胀土隧道围岩抗剪强度与支护结构受力特征关系

沈 杰 柳州铁道职业技术学院

李 杰 广西科技大学

1 前言

为了不断完善我国的交通网络，各类交通工程建设得到了快速发展，其中需要穿越不良地质区域的隧道工程建设数量也在逐渐增加，而在隧道工程建设中，由于受地质条件的影响，容易遇到浅埋膨胀土隧道。膨胀土应对温热变化较为敏感，具有吸水膨胀、失水收缩的特性，隧道建设中容易出现围岩变形问题，支护结构受到破坏，进而发生安全事故，对工程建设产生不利的影响。关于膨胀土的作用原理以及工程特性具有较大的复杂性，在膨胀土围岩隧道的建设中存在较大的难度。近年来，关于膨胀土抗剪强度特性和支护结构受力关系的研究得到了广泛关注，通过掌握这一关系，在隧道工程建设时才能更好地保证安全性。

2 膨胀土抗剪强度的特殊性

土的抗剪强度主要是指土体能够抵抗剪切破坏的极限能力，而针对膨胀土来说，由于存在裂隙的影响，主要包含土块的抗剪强度和土体的抗剪强度。在室内进行土工试验依照普通粘性土一般方法确定的抗剪强度指的是特定条件下土的抗剪强度，接近土块的抗剪强度。在进行工程建设中，关于土坡稳定性、土压力、地基承载力等进行计算时的抗剪强度是土体的抗剪强度。关于膨胀土的土体强度和土块强度之间存在一定的差异性，由于土中存在裂隙以及膨胀土自身亲水性特性，使得膨胀土的强度问题变得愈加复杂化。膨胀土容易软化，对于大气影响深度范围内的土层，含水量会发生变化，因而膨胀土的强度也会改变，所以膨胀土的抗剪强度为动态表现。在进行工程建设时，现场的地质条件可能会发生变化，因而使土层的含水量发生改变，膨胀土的强度会受到怎样的影响，需要进行试验研究。

3 含水量不同情况下的膨胀土抗剪强度试验

非饱和土的抗剪强度主要影响因素为含水量和干密度，在浅埋隧道的土体中，具有较小的密实度变化，所以，膨胀土的抗剪强度主要影响因素是外部水环境。根据实际的隧道工程建设，在室内环境下配制和工程现场原状土具有一样干密度的膨胀土试样，使用直剪试验方法，对含水量不同情况下的膨胀土抗剪强度变化进行分析，以明确含水量和摩擦角、粘聚力之间的联系，进而为后续的研究提供有效的数据参考。

3.1 制作土样

准备好直剪试验的装置，然后在开始进行试验前先制作土样，干密度为ρd=1.4g/cm3，其中含水量分别为9.87%、15.18%、20.24%、24.76%、30.21%，制作完土样后，使用保鲜膜进行包裹，以避免土样中水分蒸发。接着对每组土样施加竖向荷载，分别为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，使土样受到剪切破坏。

3.2 试验结果

在完成试验后，对得到的相关数据进行整理汇总，如表1所示。

表1 直剪试验结果

根据试验的结果，将初始含水量不同情况下抗剪强度和荷载之间的关系曲线绘制如图1所示。

图1 含水量不同条件下抗剪强度和荷载关系图

根据曲线关系进行拟合，确定一般的拟合方程为：

其中τ表示抗剪强度，c表示粘聚力，φ表示摩擦角。

得到含水量不同条件下抗剪强度和荷载之间的关系曲线，然后将含水量不同条件下两者之间关系拟合方程系数c和φ确定出来，初始含水量和c、φ之间的关系如表2所示。

结合表2中的数据进行拟合，能够得到含水量和粘聚力、摩擦角之间的关系曲线，关系拟合方程如下：

表2 初始含水量和拟合系数c、φ之间的关系表

通过分析含水量和摩擦角、粘聚力之间的关系，可以知道，在室内进行膨胀土试样试验，膨胀土的抗剪强度摩擦角和粘聚力指标受含水量变化的影响较大，呈现负相关联系。摩擦角和初始含水量之间呈现线性递减关系，粘聚力和含水量之间呈现二次抛物线递减关系。普通的粘性土由于具有较小的摩擦角，因此土体的抗剪强度主要受粘聚力影响，由此可以得出，膨胀土的抗剪强度和初始含水量之间存在二次抛物线递减的关系。

4 膨胀土隧道支护结构受力特征有限元模拟

以实际的隧道工程为例，在试验的基础上得到膨胀土物理力学参数，然后依据膨胀土的特征曲线，建立模型。使用ABAQUS有限元软件数值模拟渗流膨胀过程，然后根据模型分析在隧道围岩吸水膨胀下，围岩变形和支护结构受力变化的特征。

4.1 有限元模型

对隧道开挖过程进行模拟主要使用三台阶环形开挖留核心土法，其中埋深主要设置12m和2m。建立的三维模型边界确定为：在水平方向上，隧道中心线到两边的距离为40m，隧道底部到下边界的距离为15m，隧道竖向的长度为30m，隧道拱顶到上边界的距离为12m和20m，隧道开挖的高度设置为13.5m，跨度最大15.2m。在对围岩进行初始支护时，主要使用28cm厚的C25喷射混凝土，同时在中间支设I20a型工字钢，钢拱架的间距为0.6m。对试验土样进行室内三轴试验，得到膨胀土土水关系曲线、膨胀土吸湿膨胀与饱和度关系曲线，对模型程序进行子程序的二次开发，然后加入有限元的渗流模块中，确保工程实际和数值计算之间形成一致，这样膨胀土吸水膨胀产生的膨压应力对支护结构受力的影响就能够更好地进行分析。

4.2 计算结果分析

4.2.1 围岩变形

根据有限元模型的模拟计算可以得出围岩吸水膨胀前后的位移变化，如表3所示。埋深分别为12m和20m的围岩变形特点为：首先，20m埋深的膨胀土变形比12m埋深的变形要小，因而可以看出，在埋深增大的情况下，膨胀会受到一定的限制，如果埋深到达一定的极限，就会不再出现膨胀变形。另外，出现膨胀后，水平方向上的收缩位移和拱凸起量都在增大，这是因为围岩吸水发生膨胀，支护结构受到膨压应力。在吸水后，围岩的物理力学性能发生改变，自身的稳定性变差，因此隧道的拱会出现隆起、边墙水平方向出现收缩。拱顶发生沉降变小是因为设置位移边界，围岩在吸水膨胀后，会发生向上的膨胀变形，使得隧道拱顶的沉降量减小。

表3 不同工况下膨胀前后围岩变形统计

4.2.2 膨胀土隧道衬砌结构内力分析

完成计算后，对断面支护结构的内力和安全系数分布情况进行分析可以知道：在围岩吸水发生膨胀后，最开始的支护结构受的内力相比较膨胀之前有所增加，隧洞周围各处的轴力增加的幅度基本一致，而且增加的量比自身重力作用下支护结构轴力要大。在拱腰处弯矩增加较小，墙脚处增加较大。根据分析得出，在浅埋膨胀土隧道，围岩吸水产生的膨压应力对初始支护结构受力的影响要比隧道开挖松动压力对支护结构受力的影响大。在围岩吸水发生膨胀之前，初始支护结构安全系数最小值主要在拱腰附近分布，其数值要比隧道设计规范中规定的最小安全系数大，这表明初始的支护结构能够保证隧道工程安全建设。但是围岩在吸水发生膨胀后，初始的支护结构安全系数发生了变化，安全系数减小，比隧道设计规范中要求的最小安全系数值还小，因此膨胀土在吸水膨胀后，会对支护结构的安全性产生不利的影响，在实际的施工建设中，需要做好安全防范措施。

5 结束语

综上所述，结合实际的隧道工程，通过室内直剪试验，对膨胀土吸水后抗剪强度和膨压应力对支护结构受力的影响分析可以得知：抗剪强度中摩擦角和粘聚力这两个指标在含水量增加的情况下会减小，而且粘聚力受含水量变化的影响较大。膨胀土的抗剪强度和含水量之间呈现二次抛物线的关系。另外，在膨胀土隧道围岩吸水膨胀后，围岩变形会使支护结构受到较大的膨压应力，围岩容易遭到破坏，使隧道出现仰拱隆起和边墙水平收缩，支护结构的安全性降低。再者，埋深增加会对膨胀变形产生一定的抑制，在达到某一极限埋深后，将不再发生膨胀变形。