新型泡沫混凝土缓冲层对深埋软岩隧道卸压规律的影响

李永靖,王 松*,张淑坤,冯佃芝

(1.辽宁工程技术大学土木工程学院,辽宁 阜新 123000;2.辽宁工程技术大学辽宁省煤矸石资源化利用及节能建材重点实验室,辽宁 阜新 123000;3.枣庄学院城市与建筑工程学院,山东 枣庄 277160)

隧道工程软弱围岩体由于具有显著的流变特性和时效特征,隧道开挖后围岩往往会发生较大的变形,易造成隧道支护结构的开裂与破坏。以往许多隧道采用“强制硬顶”的联合支护方式,支护结构存在变形能力不足与协调性差等缺点,难以适应软岩隧道开挖后围岩长期变形的要求。随着施工工艺与施工技术的不断提高,在软岩隧道围岩支护体系中施作缓冲层并填充高性能材料吸收围岩流变变形、降低二次衬砌上变形压力的新型缓冲层让压支护技术已逐渐得到众多学者和工程建设单位的认可[1-3]。其中,泡沫混凝土由于具有经济环保、质轻多孔、施工便捷、变形能力强等优点,在软岩隧道围岩支护缓冲层填充材料卸压减能方面的应用较为广泛[4-5]。

众多研究表明,采用泡沫混凝土缓冲层支护结构可以很好地吸收软岩隧道围岩流变变形,保证隧道围岩-支护结构的变形协调[6-13]。陈卫忠等[7]、Wu等[8]、Wang等[9]通过室内试验研究了泡沫混凝土的力学性能,并基于数值模拟方法比较了隧道支护结构有、无泡沫混凝土缓冲层两种支护方案的支护效果,结果表明泡沫混凝土缓冲层可以有效地吸收隧道围岩的蠕变变形;柳厚祥等[10]采用控制变量法和数值模拟方法分析了高地应力软岩隧道泡沫混凝土缓冲层支护结构的卸压效应及影响因素;Tan等[11-12]、Bonini等[13]采用现场试验与数值分析方法研究了泡沫混凝土缓冲层在软岩大变形条件下的力学变形特征以及对隧道围岩变形的控制效果;田云等[2]考虑到软岩隧道围岩强度时效弱化效应,对泡沫混凝土缓冲层支护参数进行了深入研究。

以上研究主要针对泡沫混凝土缓冲层支护结构对软岩隧道长期稳定性的影响分析,均采用单一的数值分析方法,而针对深埋软岩隧道泡沫混凝土缓冲层变形规律的研究相对较少,关于模型试验分析方法更是未见报道。事实上,数值分析方法多为辅助工具,而开展大型隧道模型试验可以弥补数值模拟手段的不足,并相互验证。因此,本文以贵州省某在建隧道为例,基于本研究团队提出的新型泡沫混凝土(CNTAFC)材料容重与抗压强度的关系、应力-应变曲线和能量演变规律的分析,采用隧道模型试验与数值模拟的方法研究了深埋软岩隧道CNTAFC缓冲层的变形规律,以弥补该方面研究的不足。

1 新型泡沫混凝土材料

由于普通泡沫混凝土材料具有孔隙率高、收缩量大和强度偏低等缺点,为了满足深埋软岩隧道缓冲层填充材料卸压减能等力学变形性能的要求,本研究团队针对上述缺陷研制了一种新型泡沫混凝土材料——微量碳纳米管(CNTs)增强粉煤灰泡沫混凝土(CNTAFC)材料,并采用单轴压缩试验联合数字散斑(DSCM)技术对CNTAFC试件进行了不同容重(300～1 200 kg/m3)与抗压强度的关系、应力-应变曲线和能量演化规律研究,探究CNTAFC材料的卸压减能性能。

本次单轴压缩试验采用WDW-300型万能试验机,其中最大试验力为300 kN,可控试验力范围为1.2～300 kN,控制加载速率为1 mm/min。DSCM图像采用1630×1224像素的高清CCD相机采集,并采用Matlab软件对DSCM图像进行处理。试验前,在制备的CNTAFC试件表面喷涂白漆,并随机喷洒黑点。DSCM图像校准分辨率为0.05 mm/pixel,图像采集频率为2个样本/s,CNTAFC试件加载和DSCM图像采集测试同步进行。本试验装置如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Test device

1.1 CNTAFC材料的制备

根据本研究团队初步的筛选试验,制备的CNTAFC材料密度为1.0 g/cm3,骨料采用天然河砂,粒径小于2.36 mm,表观密度为2.23 g/cm3。不同于普通泡沫混凝土材料的制备,CNTAFC胶凝材料选用水泥与粉煤灰的混合物。其中,水泥为阜新鹰山牌P·O42.5普通硅酸盐水泥,粒径分布D50为20 μm,密度为3.0 g/cm3;粉煤灰细度为10.8%,密度为2.12 g/cm3,质量等级为Ⅰ级,其粒度分布曲线如图2所示。

图2 粉煤灰粒度分布曲线Fig.2 Particle size distribution curves of fly ash

碳纳米管(CNTs)直径为3～15 nm,长度为15～30 μm,比表面积为250～270 m2/g,体积密度为0.06～0.09 g/cm3。泡沫采用郑州市鹏翼化工建材有限公司生产的浓缩型高效水泥发泡剂制备,其基本参数如表1所示。

表1 发泡剂基本参数

在CNTAFC材料制备过程中,通过超声分散协同机械搅拌的方法制备如表2所示的4种CNTs配比的悬浮液,并将其与水泥、粉煤灰、天然砂的混合浆液混合搅拌,倒入直径5 cm、高10 cm的模具中,脱模后在(20±2)℃、相对湿度为95%以上条件的标准养护室养护至28 d,利用上述WDW-300万能试验机同步DSCM图像采集测试CNTAFC试件,并分析CNTAFC试件容重与抗压强度的关系、应力-应变曲线以及能量演化规律。

表2 CNTAFC材料配比

1.2 CNTAFC材料的变形特征

1.2.1 CNTAFC试件容重对其抗压强度的影响分析

如何控制发泡剂的用量使得泡沫混凝土既可以实现轻质、吸能的工作性能,又可使其抗压强度达到预定目标是亟待解决的问题,故有必要研究CNTAFC试件容重对其抗压强度的影响。本文选取泡沫混凝土干容重为常见的300、600、900和1 200 kg/m3为研究变量,探究4种CNTs掺量下CNTAFC试件容重对其抗压强度的影响,其中每种干容重下不同CNTs掺量的CNTAFC试件进行3组试验,并取其平均值,其试验结果如图3所示。

图3 不同CNTs掺量下CNTAFC试件抗压强度与干容 重的关系曲线Fig.3 Relationship curves between compressive strength and dry bulk density of CNTAFC specimens with different CNTs contents

由图3可以看出:在不同CNTs掺量下,CNTAFC试件的抗压强度随着其干容重的增加而快速增大,这是因为随着CNTAFC试件干容重的提升,试件内部气孔孔径减小,孔隙率降低,随之试件的密实度增大,强度也随之提升;此外,不同CNTs的掺量下,CNTAFC试件的抗压强度也有不同程度的提升,这是因为CNT纤维桥联与填充作用使得试件内部加速水化反应,改善了CNTAFC材料的孔隙结构,但过量的CNTs(0.15%CNTs掺量)会使得CNT纤维产生团聚现象,不能充分发挥CNT纤维对材料孔隙结构的抑制作用,从而降低了CNTAFC试件的抗压强度。

1.2.2 CNTAFC试件的应力-应变曲线分析

CNTAFC试件单轴压缩试验结果,如图4所示。

图4 不同CNTs掺量下CNTAFC试件应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of CNTAFC specimens with different CNTs dosages

由图4可以看出:在不同CNTs掺量下,CNTAFC试件的应力-应变曲线经历了从开始变形、破坏到承载能力最终丧失的整个过程,试件极限应变在0.040～0.049之间,均保持较高的残余应变,而当普通混凝土材料具有较高残余应变时,相应的极限应变约为0.030[14];当CNTAFC试件中CNTs掺量分别为0%、0.05%、0.10%和0.15%时,CNTAFC试件的峰值强度分别为3.014、6.761、6.953和7.211 MPa,其中0.05%、0.10%和0.15%CNTs掺量下CNTAFC试件的峰值强度相比于0%CNTs掺量下分别提升了124.32%、130.36%和139.25%,表明CNT纤维可以显著增强普通泡沫混凝土材料的抗压强度;CNTAFC试件的峰值强度在3.0～8.0 MPa之间,满足软岩隧道围岩支护结构缓冲层填充材料强度的要求[15-16]。此外,CNTAFC试样的平均峰后强度为3.620 MPa,大于平均峰值强度6.985 MPa的60%,试件峰后应力-应变曲线平均应变范围为0.013,占极限平均应变0.033的30%以上,这一研究结果表明CNTAFC材料受力变形后可以提供较大的峰后抗压强度,满足软岩隧道围岩支护结构缓冲层填充材料卸压变形性能的要求[15]。

1.2.3 CNTAFC试件的能量演化规律分析

对CNTAFC试件数字散斑(DSCM)图像中最大剪应变云图进行处理,并结合试件破坏前变形场空间演变特征,以试件最大剪应变云图的变形局部化带区域为边界线,将试件变形场细分为变形局部化带内区域(塑性区)和变形局部化带外区域(弹性区域)[17],如图5所示。

图5 CNTAFC试件变形局部化带区域划分示意图Fig.5 Schematic diagram of deformation localization zone division in CNTAFC specimens

通过提取不同CNTs掺量下CNTAFC试件弹性区域变形场数据,研究CNTAFC试件变形局部化带外区域的能量积累和释放规律,其计算公式为

(1)

式中:U为CNTAFC试件的变形能密度(MPa);E为CNTAFC试件的弹性模量(MPa);ε1、ε2分别为CNTAFC试件表面的第一、第二主应变。

不同CNTs掺量下CNTAFC试件变形能密度的演化曲线,如图6所示。

图6 不同CNTs掺量下CNTAFC试件变形能密度U的演化曲线Fig.6 Evolution curves of deformation energy density of CNTAFC specimens with different CNTs dosages

结合图4和图6进行对比分析可知:当CNTs掺量为0%时,CNTAFC试件的最大变形能密度为0.57 MPa,对应的应变为0.022,为峰值应变0.027的81.48%;当CNTs掺量为0.05%时,CNTAFC试件的最大变形能密度为1.48 MPa,对应的应变为0.028,为峰值应变0.031的90.32%;当CNTs掺量为0.10%时,CNTAFC试件的最大变形能密度为1.84 MPa,对应的应变为0.036,为峰值应变0.038的94.74%;当CNTs掺量为0.15%时,CNTAFC试件的最大变形能密度为2.02 MPa,对应的应变为0.031,为峰值应变0.035的88.57%。

综上可见,随着CNTs的加入,CNTAFC试件能量释放后应变能密度演化曲线更加陡峭,具有强度显著提高、变形缓慢和能量逐渐外放的特点,满足软岩隧道支护结构缓冲层填充材料吸能和逐步释压的要求。

此外,将CNTAFC试件变形能密度下降幅度与应变跨度之比定义为能量下降释放率,不同CNTs掺量下CNTAFC试件能量下降释放率,如表3所示。

表3 不同CNTs掺量下CNTAFC试件能量下降释放率

由图6和表3可知:当CNTs掺量分别为0.05%、0.10%、0.15%时,CNTAFC试件变形能密度相比于0%CNTs掺量时分别下降了235.48%、296.77%和525.81%,能量下降释放率分别增加了416.13%、892.26%和978.06%,其中0.15%CNTs掺量比0.10%CNTs掺量CNTAFC试件的能量下降释放率增加了5.14%,这表明当CNTs掺量从0.10%提升至0.15%时CNTAFC试件能量下降释放率并未得到较大的改善,仍然过大。从能量释放的角度分析,CNTs掺量为0.05%的CNTAFC试件更满足软岩隧道支护结构缓冲层填充材料卸压的要求。鉴于此,后续隧道模型试验时软岩隧道支护结构缓冲层CNTAFC填充材料选取CNTs掺量为0.05%,即CNTAFC材料配比为:CNTs掺量0.05%,水胶比50%,骨胶比15%,粉煤灰掺量80%,泡沫用量120%。

2 隧道模型试验设计

2.1 隧道工程概况

贵州省遵义市某在建隧道全长为10.5 km,为全线高风险重点控制工程。该隧道最大埋深为639.61 m,穿越12次不同地层,隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩占比高达83%,地质条件极为复杂。此外,隧道全线多处面临瓦斯突出、高地应力、软岩大变形、突水涌泥等地质灾害问题,隧道施工难度大,安全风险高。

本次隧道模型试验选定区段位于隧道YK45+015段,为Ⅴ级围岩。该区段围岩岩性以灰岩夹炭质泥岩、砂质灰岩和泥质粉砂岩为主,岩体整体较为破碎,强风化层节理裂隙发育,自稳能力差。此外,隧道围岩岩体伴随潮湿状或点滴状出水,地下水含量较为丰富。

2.2 隧道模型试验系统

本次试验采用多功能相似模型试验框架完成,模型框架净空尺寸为3.60 m×0.30 m×2.00 m(长×宽×高),且长、宽、高均可独立拆装调节,安装简单方便。根据隧道实况及研究需要,本次隧道模型试验选用的框架尺寸为2.00 m×0.05 m×1.50 m,两端用长短夹固定,隧道模型上方的前、后、左、右各布置1块钢化玻璃组成“开口玻璃箱”,用以束缚模型上端采用石英砂堆积的静载。隧道模型试验装置,如图7所示。

图7 隧道模型试验装置Fig.7 Model test instrument

试验监测装置由YJZA-32型智能数字应变仪与DSCM技术联合组成,通过计算机内部采集卡分析逐次加载受力信息,实现隧道模型应力场和应变场数据同步高速采集。

该试验应力测量系统如图8所示。YJZA-32型智能数字应变仪测量精度为±0.1%,分辩度为1个με ,采集速率为1s/点,应变仪与模型中心断面处布设的压力盒传感器通过导线相连,调节压力盒初始数值,然后将应变仪连接于电脑,可传送模型内部采集的应力数据。此外,分别在隧道中心断面左、右、上测各布设两个压力盒,其中1#、2#、3#压力盒位于隧道变形层边缘处,其余每条测线上压力盒相距为10 cm。

图8 试验应力测量系统Fig.8 Test stress measurement system

利用DSCM技术采集隧道模型变形破坏数字散斑图像信息。首先通过三脚架上的卡槽及螺栓固定像素为1 630×1 224的高清CCD相机,调试校准摄像头与隧道模型中人工制造的散斑场,确保摄像头与水平地面平行、其轴线与模型待测区域垂直。如图9所示,先将CCD相机摄像头固定在距离隧道模型中轴线1.4 m处,且与水平地面高度保持0.56 m;然后将CCD相机与电脑通过导线相连,并打开基于Matlab平台的DSCM技术处理系统,同时启动CCD相机摄像头,调整摄像头光圈直至电脑屏幕显示出清晰的散斑场。

图9 数字散斑系统Fig.9 Digital speckle system

2.3 相似材料选择及制备

为了实现隧道真实的地质情况,确保隧道模型受荷试验结果真实准确,应使得模型的几何尺寸、模型围岩重度与抗压强度、边界条件及作用荷载均满足相似三大基本定理[18]。本次试验选择几何相似比Cl为50,重度相似比Cγ为1,隧道模型衬砌结构直径为16 cm。根据相似原理,得到隧道模型试验各物理力学参数的相似比,见表4。

表4 隧道模型试验各物理力学参数的相似比

本次隧道模型试验骨料选用石英砂,胶结材料采用嵌缝石膏与白云石混合配制相似材料,经过多次调整材料配比,并重复进行土工试验测定其相关参数,最终确定隧道模型试验各岩层试验材料的配比,见表5。此外,确定本次隧道模型试验水灰比为1∶1,通过表4和表5中隧道模型试验各物理力学参数的相似比和各岩层材料的配比,进一步计算得到隧道模型试验各岩层厚度、抗压强度和材料用量等重要参数,见表6。

表5 隧道模型试验各岩层试验材料的配比

表6 隧道模型试验各岩层材料的用量

2.4 隧道模型试验方案

本次隧道模型试验通过隧道支护结构有、无设置泡沫混凝土缓冲层,研究在逐级加载情况下隧道围岩受力及变形规律,并验证隧道围岩支护体系中施作CNTAFC缓冲层的卸压效果。在隧道模型试验过程中,采用橡胶气囊注入相同大小气压的方法来模拟隧道支护结构。但需要说明的是,本次隧道模型试验过程中仅以“隧道支护结构是否预设CNTAFC缓冲层”为变量,其余试验方法和过程完全相同。

隧道模型填筑过程中部分工序,如图10所示。

图10 隧道模型填筑过程中部分工序图Fig.10 Partial process diagram of tunnel model filling process

在隧道模型填筑之前,先完成预置CNTAFC材料的浇筑,并在框架底部铺设一层橡胶片防止石英砂、石灰等材料的泄漏,同时将预埋压力盒放至指定位置,并在其外侧包裹一层聚四氟乙烯薄膜,中间涂抹润滑油,以减小压力盒与模型试验材料间的接触摩擦;然后,将各岩层所需材料依次称取并撒入模型试验箱内,分层压实直至达到模型试验指定高度(试验各岩层材料用量及厚度见表6),并在层间采用2～3 mm厚度的云母片分隔,待模型铺设完成后,将压力盒计数调至为零,采用石英砂堆积的方式模拟隧道加载过程,分为6次逐步加载,每次堆积高度为10 cm,约施加压力1.7 kPa,加载30 min后再进行下一级压力施加;最后,布设尺寸为60 cm×50 cm(长×宽)人工散斑场,采用既定监测装置采集隧道围岩加载过程中受力及变形数据。

3 试验结果与分析

3.1 隧道围岩应力场变化规律分析

有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道变形层各测点围岩应力随加载次数的变化曲线,见图11。

图11 有、无CNTAFC缓冲层条件下隧道变形层各测点围岩应力随加载次数的变化曲线Fig.11 Stress changes in surrounding rock at various measurement points of tunnel deformation layer with or without CNTAFC buffer layer support structure

由图11可以看出:

1) 无CNTAFC缓冲层支护结构条件下[图11(a)],在逐级加载过程中,隧道变形层各测点围岩应力的变化规律基本一致,逐级增大。整体而言,隧道拱顶应力最高,该测点最大应力达到8.98 kPa,隧道左侧应力次之(为7.48 kPa),隧道右侧应力值最小,为7.21 kPa。此外,在硐周沿径向应力分布情况也有所不同,如1#测点围岩应力高于4#测点,2#测点围岩应力高于5#测点,3#测点围岩应力高于6#测点,即隧道围岩应力从硐周沿径向呈现减小的趋势。

2) 有CNTAFC缓冲层支护结构条件下[图11(b)],隧道变形层各测点围岩应力的分布规律与无CNTAFC缓冲层支护结构条件下存在着显著的差异:在CNTAFC缓冲层支护结构条件下,隧道顶部和左侧围岩应力均在第四次加载、隧道右侧围岩应力在第五次加载情况下达到最大值,应力值分别为5.48、5.01和4.92 kPa,较无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道变形层各测点围岩最大应力值[见图11(a)]分别降低了38.98%、33.02%和31.76%;但当达到最大应力值继续加载时,隧道围岩应力减小,这是因为在隧道模型累计4次加载后,CNTAFC缓冲层材料已开始发生破坏,导致材料内部压力减小,压力盒读数降低。此外,随着隧道模型完成加载后,有CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道变形层围岩最大压力值为4.65 kPa,较无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道变形层围岩最大压力值7.12 kPa降低了34.69%,进一步表明CNTAFC缓冲层支护结构可有效改善隧道围岩应力状态,提高隧道围岩的承载能力。

3.2 隧道围岩位移场变化规律分析

3.2.1 隧道围岩水平位移

不同加载等级作用下有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道顶部围岩水平位移分布散斑云图,见图12。

图12 不同加载等级作用下有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩水平位移分布散斑云图Fig.12 Speckle cloud map of horizontal displacement distribution of tunnel surrounding rock under different loading levels with or without CNTAFC buffer layer support structure

由图12可以看出:

1) 无CNTAFC缓冲层支护结构条件下,在逐级加载过程中隧道围岩最大水平位移分别为0.10、0.40、0.60、1.40、3.0、8.0 mm;在逐级加载过程中,隧道围岩水平位移在隧道左右两侧多呈现对称分布,且在隧道洞周两侧边墙部位及底部出现应变集中,表现出挤出现象[图12(a)]。

2) 有CNTAFC缓冲层支护结构条件下,在逐级加载过程中隧道围岩最大水平位移分别降至0.02、0.30、0.60、1.40、2.50、3.00 mm,隧道围岩最大水平位移降低了62.5%;在CNTAFC缓冲层支护结构和隧道围岩共同作用前期(1.7～5.1 kPa),隧道围岩水平位移变化较小,并未有明显的应力集中现象;当隧道顶部围岩加载增至6.8 kPa时,相比于无CNTAFC缓冲层支护结构,隧道围岩水平位移始终保持着较小的发展,而在隧道拱顶及拱底竖向变形较为集中[见图12(b)],表明CNTAFC缓冲层支护结构有效地限制了隧道围岩水平位移发展,使隧道围岩从水平拉剪受力变为竖向受压,从而保证了隧道的安全与稳定;此外,当隧道顶部围岩加载至6.8 kPa时,CNTAFC缓冲层材料因受力超出极限承载能力而开始发生破坏,表现为隧道拱底、拱脚及右侧边墙开始产生应变集中现象,但应变集中远小于无CNTAFC缓冲层支护结构,这说明CNTAFC缓冲层材料变形破坏后仍然可提供承受压力的潜力,具有较好的隧道围岩卸压效果。

3.2.2 隧道围岩竖向位移

不同加载等级作用下有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩竖向位移分布散斑云图,见图13。

图13 不同加载等级作用下有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩竖直位移分布散斑云图Fig.13 Speckle cloud map of vertical displacement of tunnel under different loading levels with or without CNTAFC buffer layer support structure

由图13可以看出:

1) 无CNTAFC缓冲层支护结构条件下,在逐级加载过程中隧道围岩最大竖向位移分别为0.06、1.40、1.60、2.80、6.00、7.00 mm;此外,隧道洞周围岩竖向位移总是在隧道拱顶或拱底附近出现最大值,且隧道拱顶或拱底围岩竖向位移变化明显高于两侧边墙围岩,并由该位置向隧道围岩深处发展,围岩变形逐渐减小[图13(a)]。

2) 有CNTAFC缓冲层支护结构条件下,在逐级加载过程中隧道围岩最大竖向位移分别为0.04、0.80、1.60、2.0、2.20、2.8 mm,隧道围岩最大竖向位移降低60%;在隧道顶部围岩加载初期(1.7～5.1 kPa),竖向位移增长较为缓慢,围岩变形较为均匀,并未产生明显的应力集中现象;当隧道顶部围岩加载增至6.8 kPa时,隧道围岩周边开始在一定范围内产生局部变形带,气囊承载能力达到最大,且隧道围岩左右两侧及底部开始产生显著的应变集中现象,并伴随着裂纹的出现;继续加大荷载,CNTAFC缓冲层材料因受力超出极限承载力而发生破坏,但未出现如同图13(a)中的应变显著集中现象,仅在隧道拱顶左右侧出现应变微集中表现,这说明CNTAFC缓冲层支护结构改善了隧道围岩受力状况,隧道围岩、CNTAFC缓冲层支护结构所构成的共同承载体避免了隧道围岩应力集中而产生的应变集中现象,有效地提高了隧道围岩强度,维护了隧道围岩的稳定性[图13(b)]。

3.3 隧道围岩最大剪应变场变化规律分析

相比于位移场,最大剪应变可以更加直接地反映隧道围岩的变形破坏状况。限于篇幅,本文仅展示了第六次加载(10.2 kPa)时隧道围岩最大剪应变云图,如图14所示。

图14 有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩 最大剪应变分布散斑云图Fig.14 Speckle cloud map of maximum shear strain with or without CNTAFC buffer layer support structure

由图14可以看出:

1) 无CNTAFC缓冲层支护结构条件下,在较小的加载情况下隧道围岩最大剪应变值相对较小,且集中于隧道左右两侧,表明此时隧道围岩破裂主要集中于两边墙拱腰处;随着隧道顶部围岩加载增大至5.1 kPa时,隧道两边墙破裂将逐渐向拱顶及拱底扩展;当隧道顶部围岩加载至10.2 kPa时,隧道围岩最大剪应变值为0.07,并集中于隧道顶部左侧围岩[图14(a)]。

2) 有CNTAFC缓冲层支护结构条件下,隧道顶部围岩加载初期(1.7～5.1 kPa)隧道围岩最大剪应变的变化情况与无CNTAFC缓冲层支护结构相似,隧道围岩最大剪应变变化较小;当隧道顶部加载增至6.8 kPa时,隧道周边围岩最大剪应变出现在隧道拱底处,且随着隧道顶部荷载的增大,隧道围岩破裂区向隧道两边墙角延伸,表明CNTAFC缓冲层有效改善了隧道上部荷载对支护结构挤压作用造成的裂缝与破坏;当隧道顶部围岩加载至10.2 kPa时,隧道围岩最大剪应变出现在隧道右侧墙角[图14(b)]处,约为0.03,相比于无CNTAFC缓冲层支护结构隧道围岩最大剪应变降低了57.14%。

4 CNTAFC缓冲层支护结构数值模拟

4.1 计算模型及参数

依据贵州省某在建隧道实际工况,为了消除隧道边界效应的影响,模型左右边界取值约为隧道洞径的3.5倍,上边界距隧道顶部约10 m,下边界距隧道底部约15 m,故隧道模型尺寸取为65 m×35 m×25 m(长×宽×高),并固定模型前后、左右边界的法向约束与底面边界的竖向约束,模型顶面为自由约束。为了等效于模型试验逐级加载大小,在隧道顶部围岩施加0.89 MPa的均布应力。隧道计算模型如图15所示。

图15 隧道计算模型示意图Fig.15 Schematic diagram of tunnel calculation model

隧道围岩和模拟气囊选用M-C理想弹塑性本构模型,依据隧道隧址区现场勘探各岩土层承载力和相关力学参数以及公路隧道设计规范,该隧道各岩层与支护结构相应的计算参数,见表7。

表7 隧道围岩各岩层与支护结构相应的计算参数

4.2 模拟计算结果与分析

4.2.1 隧道围岩位移变化规律分析

有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩水平及竖向位移随加载等级的变化曲线,见图16。

图16 有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围 岩水平及竖向位移随加载等级的变化曲线Fig.16 Variation curves of horizontal and vertical displacement of tunnel surrounding rock with or without CNTAFC buffer layer support structure

由图16可以看出:

1) 整体而言,无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩水平及竖向位移随加载等级呈线性变化,并逐渐增大;当隧道顶部围岩加载至5.34 MPa时,隧道围岩水平及竖向位移分别为0.129 m和0.090 m。

2) 相比而言, 有CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩水平及竖向位移均控制在较小的变形范围,处于0.06 m内;另外在第五次加载时,隧道围岩水平及竖向位移均有突增,这是因为在第四次加载时CNTAFC缓冲层材料已达到极限承载能力并开始发生破坏,这与上述隧道模型试验分析结果相同,从而验证了模型试验结果的正确合理性;当隧道围岩顶部加载至5.34 MPa时,隧道围岩水平及竖向位移分别为0.050 m和0.028 m,分别降低了61.24%、68.89%,表明CNTAFC缓冲层在峰值强度后仍有较强的吸能减压作用,可以较好地改善隧道围岩受力状况。

4.2.2 隧道围岩应力变化规律分析

有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩应力随加载等级的变化曲线,见图17。

图17 有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩 应力随加载等级的变化曲线Fig.17 Change curves of surrounding rock stress with or without CNTAFC buffer layer support structure

由图17可以看出:与隧道围岩位移场变化规律类似,两种工况下整体上隧道围岩应力随加载等级呈上升趋势,且在第五次加载时隧道围岩应力突增;此外,无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩最大应力为7.21 MPa,而此时有CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩最大应力为5.67 MPa,降低了21.36%。

5 结 论

1) CNTAFC试件峰值强度为3.0～8.0 MPa,极限应变为0.040～0.049,其平均峰后强度大于平均峰值强度的60%,平均峰后应力-应变曲线的应变范围占平均极限应变的30%以上,表明CNT纤维显著增强了普通泡沫混凝土的抗压强度,且受力变形后可以提供较大的峰后抗压强度,满足隧道围岩缓冲层填充材料卸压变形性能的要求。

2) CNTAFC试件具有抗压强度显著提高、变形缓慢和能量逐渐外放的特点,满足深埋软岩隧道支护结构缓冲层填充材料吸能和逐步释压的要求。此外,从能量释放的角度分析,CNTs掺量为0.05%的CNTAFC试件更满足深埋软岩隧道支护结构缓冲层填充材料卸压的要求。

3) 通过对深埋软岩隧道有、无CNTAFC缓冲层支护结构条件下隧道围岩水平位移、竖向位移、应力和最大剪应变随加载等级的变化规律进行研究,结果表明CNTAFC缓冲层支护结构可以有效地改善隧道围岩的应力状况,显著提高隧道围岩承载能力,缓解二次衬砌上的形变压力,保证隧道衬砌结构安全稳定。

4) 采用数值模拟方法进一步验证隧道模型试验结果的合理正确性,结果表明CNTAFC缓冲层支护结构有效改善了隧道围岩应变集中现象,满足软岩隧道缓冲层填充材料吸能减压的要求。