黄黏土地区隧道结构体与土体接触面受力分析

2022-08-09赵江涛

岩土工程技术 2022年4期

赵江涛

（郑州路桥建设投资集团有限公司，河南郑州 450000）

0 引言

隧道围岩是指地壳中受隧道开挖影响的周围岩体和对隧道稳定性有影响的周围岩体。围岩的工程性质一般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质，其中对围岩稳定性影响最大的则是力学性质。

在隧道工程中，围岩在隧道开挖和支护过程中以及隧道建成后都会对隧道支护体产生应力[1]，从开挖到支护完成，围岩应力经历了重新分布的过程，其性质也会发生变化，研究隧道支护体系的安全稳定性必须对围岩与隧道支护体系之间的相互作用力进行分析[2−3]，判断两者之间的作用力大小关系。张磊等[4]通过控制不同泥皮厚度进行了黄土和混凝土接触面的剪切试验，泥皮的存在使黄土与混凝土接触面黏聚力和内摩擦角均显著减小，随着泥皮厚度的增加，接触面黏聚力逐渐减小，其变化速率也逐渐减小，而接触面内摩擦角变化不大。秦虎等[5]研究了冻结对硫酸盐渍土与混凝土接触面的影响，获得了接触界面力学行为随接触材料类型及含盐量变化的规律。邓衍博等[6]研究了几种高硬度透明材料与砂土接触面力学特性，获得每种透明材料与砂土接触面的剪应力切向位移关系以及剪切破坏强度。金子豪[7]研究了粗糙度对砂土与混凝土接触面力学特性影响，提出可考虑凹槽几何参数、槽内土体扰动深度和槽宽修正的粗糙度（R）的计算方法。张嘎和张建民[8]提出了粗粒土与结构接触面的统一本构模型并进行试验验证，模型预测结果与试验结果吻合良好。

基于以上研究，分析黄黏土体与隧道支护结构接触面力学性能的主要方法是结合土体与支护体系接触面基本力学特性试验[9−10]，得出影响剪应力和应变之间的关系，在此基础上归纳分析土体与支护体系之间接触面的受力变形发展规律。本文针对黄黏土地区隧道支护体系与土体接触面的关系进行试验及数值模拟，提出了适用于黄黏土地区支护体系与土体之间的计算本构模型，能够较好地反映接触面之间的作用原理，可为黄黏土地区类似工程提供理论支撑。

1 接触面试验设备

试验仪器由剪切设备、竖向加压装置、剪应力加载装置、数据接收装置及控制系统等组成。黄黏土和支护之间的荷载和位移由传感器测得，然后由数据收集装置将传感器连接到电脑[11−13]。本试验仪器可以使隧道周围的黄黏土体随意变形，在任何位置任何方向都可以实现自由形变，也可以方便地更换新的试验材料，因而用其模拟围岩土体与支护结构接触面的破坏特性较为接近现场实际，测试数据较为准确有效。

接触面试验仪由剪切盒、法向荷载施加装置、剪切荷载施加装置、土体细观位移量测装置、控制系统和数据采集系统组成（见图1）。剪切盒分上下两部分，其中上剪切盒内部尺寸为100 mm×100 mm×50 mm。试验时，将试验所用结构试件放到下剪切盒摊铺的细沙上，保证结构试件水平，再将上剪切盒放置于结构面上固定好，然后将配制好并搅拌均匀的黄黏土试样分层装入上剪切盒；每层装入黄黏土样结束后，用硬木捣压密实，再用硬木将压实面刮毛后装下一层土样，重复上述步骤；装好试样后，将荷载施加装置放至试样上部，预加10 min的预应力后可进行接触面剪切试验。下剪切盒在剪切荷载施加装置的控制下做水平向运动，也就是黄黏土与混凝土接触面切向运动，实现接触面上土体与混凝土相对剪切运动。

图1 剪切盒结构示意图

在隧道工程中，衬砌常用的结构类型是复合式衬砌，这种结构由初衬、中间防水隔离层和二次衬砌组成。在黄黏土地区修建隧道，黄黏土往往与初期支护紧密连接，初期支护往往是锚喷混凝土，锚喷支护混凝土与围岩土体接触面往往较为粗糙，因此，在试验时所用的混凝土板应有一定的粗糙度。

试验所用材料采用具有一定粗糙度的人工粗糙面混凝土板（见图2），这种混凝土板是在普通模具混凝土板基础上人工拉毛制成[14−16]。每块试验结束后重新更换新的相同粗糙度的试验混凝土板。

图2 人工粗糙面

2 黄黏土-混凝土接触面室内试验

试验土样采用黄黏土，其相对密度为2.55，液限45%，塑限17%，最佳含水率16%，最大干密度1.62 g/cm3，试验所用土样按照最佳含水率进行配置。每一组分别作5个试样，法向压力分别取100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1600 kPa。采用固结快剪法，先使土样固结稳定，然后在竖向应力不变的情况下进行匀速剪切[17−18]，剪切过程中接触面积不变。剪切前土样首先在法向压力下固结，固结稳定后保持法向应力不变进行匀速剪切，剪切速度为0.6 mm/min，接触面积为100×100 mm2，试验结果见图3。向应力可以用 y=0.59x+61.72表达（见图4）。

图3 黄黏土接触面接触剪应力与剪位移关系曲线

图4 接触面法向压力与抗剪强度关系曲线

3 黄黏土-混凝土接触面三维数值试验

据图3中黄黏土与混凝土接触面剪切试验曲线，结构接触面的剪切应力随着剪切位移的增加呈增长趋势，到达峰值后接触面剪应力有较为明显的软化趋势，而后剪应力基本保持水平状态。从试验过程来看，黄黏土与混凝土接触面的抗剪强度随着竖向应力的增加呈现直线式增长，根据测试结果，抗剪强度与竖

利用ABAQUS软件建立三维黄黏土-混凝土接触面三维数值模型（见图5），模型有43个单元体，上部模块代表黄黏土样，下部代表混凝土板，黄黏土样和混凝土板四周分别承受约束力，混凝土板底部固定，接触面在黄黏土样和混凝土板之间设置，土样顶部承受竖向压力。

图5 三维剪切面试验模型

根据黄黏土样和混凝土板的实际受力特点，模型按照弹性受力处理，根据《公路土工试验规程》（JTG 3430−2020），由室内三轴压缩试验或无侧限单轴压缩试验可得到黄黏土的弹性模量取80 MPa，泊松比取0.25；根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010−2010）及相关经验，设计为C20混凝土板的弹性模量取23 GPa，泊松比取0.15。先在顶部z方向施加竖向向下压力，然后在x方向施加力使模型移动，移动量为20 mm。将数值模拟试验结果与室内试验结果进行对比，如图6所示。

由图6可看出，黄黏土-混凝土接触面三维数值模拟曲线可以反映接触面剪切变形规律，竖向应力较小时数值模拟结果同室内试验结果变形曲线较为一致；竖向应力增大时数值计算结果与室内试验结果有所偏差，主要因为应力增加，会使黏土中孔隙体积进一步缩小，模型厚度尺寸减小，试验体的整体抗剪刚度变化，在数值模型建模时没有考虑这种偏差。总的来说，考虑到取样的扰动、不同试样的差别以及数据收集的误差等，可以认为数值模拟计算结果与室内试验结果基本一致。