膨脹圍巖隧道不同含水率的數(shù)值分析

楊軍平 趙衛(wèi)潔 趙文蘭

摘 要：為了探究膨脹圍巖隧道在不同含水率條件下隧道開挖過程中膨脹圍巖的受力情況。文章以廣西某高速公路膨脹圍巖隧道項目為依托工程，結(jié)合本課題組相似模型試驗，利用大型有限元軟件ANSYS的溫度應(yīng)力場模塊和結(jié)構(gòu)分析模塊的耦合作用來模擬含水率變化的條件下，膨脹巖隧道開挖的力學(xué)性態(tài)。數(shù)值分析結(jié)果顯示：不同含水率條件下，隨著含水率的增大，圍巖位移，圍巖應(yīng)力增大，隨著含水率越接近飽和含水率，圍巖位移、應(yīng)力增大的梯度越大；由圍巖位移、應(yīng)力云圖可知拱頂、兩側(cè)拱腰拱底兩側(cè)的位移和應(yīng)力變化最大，出現(xiàn)應(yīng)力集中，為設(shè)計施工中薄弱點，要重點監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：膨脹圍巖；耦合作用；含水率變化；圍巖位移；圍巖應(yīng)力

中圖分類號：U451 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）10-0001-05

Abstract： In order to investigate the stress of expansive surrounding rock in the process of tunnel excavation under different moisture contents， the stress of the expansive surrounding rock tunnel is studied. Based on the project of expansive surrounding rock tunnel of a highway in Guangxi， this paper combines the similar model test of our group in research. The mechanical behavior of expansive rock tunnel excavation is simulated by the coupling of the thermal stress field module and the structure analysis module of the large-scale finite element software ANSYS. The numerical results show that with the increase of moisture content， the displacement of surrounding rock and the stress of surrounding rock increase with the increase of moisture content， and the gradient of displacement and stress of surrounding rock increases with the moisture content approaching saturated water content. According to the displacement and stress cloud map of surrounding rock， the displacement and stress change of arch roof and arch bottom of both sides of arch waist are the biggest， and the stress concentration appears， which are the weak points in design and construction and it is necessary to focus on monitoring.

Keywords： swelling surrounding rock； coupling action； moisture content variation； surrounding rock displacement； surrounding rock stress

引言

膨脹性巖土是一類在水的作用下發(fā)生物理化學(xué)變化，產(chǎn)生體積膨脹和物性軟化的一類特殊地質(zhì)體。這類圍巖強度低，巖土中黏土礦物含量很高，圍巖與水作用強烈，吸水能力強，且具有很大塑性，圍巖分級屬于軟巖類。在我國膨脹巖土的礦物成分主要是蒙脫石，伊利石居其次。由于膨脹性巖土特殊的力學(xué)機制，在工程建設(shè)中常常帶來嚴(yán)重的災(zāi)害，例如：地基塌陷、地下硐室開裂、隧道坍塌等。因此，研究在不同含水率條件下膨脹圍巖隧道施工性態(tài)具有重大的現(xiàn)實意義。

近年來，研究膨脹性圍巖在遇水條件下的力學(xué)形態(tài)取得了一定的成果，但是這些成果都建立在施工實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和室內(nèi)特定的相似模型實驗基礎(chǔ)上。當(dāng)工程較大，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)會有一定的局限性；室內(nèi)模型試驗是建立在一定的環(huán)境條件下，與實際工程也存在很大的出入。受到ANSYS的溫度應(yīng)力場[1]的啟發(fā)，許多學(xué)者利用有限元軟件的溫度應(yīng)力場來模擬濕度應(yīng)力場，有圓形硐室遇水作用的濕度應(yīng)力場問題、膨脹軟巖洞室支護效應(yīng)的有限元分析以及膨脹土邊坡的多場耦合的數(shù)值模擬等[2-4]，都得出了與解析解相一致的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。

本文采用有限元軟件ANSYS的溫度應(yīng)力場模塊，考慮遇水環(huán)境對隧道圍巖的作用，在不同線膨脹系數(shù)的條件下，探討了膨脹性隧道圍巖的應(yīng)力和位移變化的規(guī)律，為膨脹圍巖隧道的設(shè)計和施工提供必要的理論指導(dǎo)。

1 膨脹巖土膨脹原理

膨脹巖土主要劃分為兩類：一類是含有硬石膏、鈣芒硝等鹽類膨脹性礦物的沉積巖；一類是含有蒙脫石、伊利石等黏土性膨脹礦物的沉積巖類[5]。本文我們研究含蒙脫石和伊利石這種親水礦物的膨脹巖土，這類巖土由于親水性礦物的存在，遇水條件下蒙脫石、伊利石等黏土性礦物與水發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，促使巖土晶層間距擴張，顆粒間隙變大，從而使膨脹巖土產(chǎn)生體積膨脹。

根據(jù)膨脹巖土的這種特性可知，水是其發(fā)生膨脹性的充分條件，也是影響其強度和應(yīng)力場的主要因素。R.Vergara[6]對泥質(zhì)膨脹巖不同的含水率進行三軸試驗，得出隨著含水率的增加，強度和剛度都有很大程度的降低，含水量越高，泊松比越低，剛度越大，隨著濕化程度的增加，剪切模量降低，體積模量增大，膨脹性增加；S.M[7]通過AMS和石灰處理的BCS樣品，研究了干濕循環(huán)對化學(xué)穩(wěn)定性膨脹土膨脹性能的影響；周葆春[8]采用固結(jié)和三軸試驗對不同水化狀態(tài)下的壓實度為90%的荊門膨脹土進行試驗，得出不同水化狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變特征。對膨脹土的研究含有很多，本文在這些研究的基礎(chǔ)上對圍巖為膨脹巖土的隧道在不同含水率環(huán)境中的力學(xué)性能進行數(shù)值分析，用以指導(dǎo)膨脹圍巖隧道的設(shè)計和施工。

2 濕度應(yīng)力場的數(shù)值模擬方法

本文考慮含水率對膨脹圍巖的力學(xué)性能的影響，引進繆協(xié)興的濕度應(yīng)力場理論[9]，利用有限元軟件ANSYS的溫度應(yīng)力場模塊來進行膨脹圍巖的濕度應(yīng)力場變化下的位移應(yīng)力變化。之所以可以用溫度應(yīng)力場來模擬濕度應(yīng)力場，是因為膨脹巖土因為含水率變化產(chǎn)生膨脹的原理和物體溫度變化產(chǎn)生體積膨脹的機制具有一定的相似性。溫度和濕度應(yīng)力場的控制微分方程具有明顯的相似性，其相似性表現(xiàn)在溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變可表示為

εt=β△t （1）

式中：εt為溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)變；β為溫度線膨脹系數(shù)；△t為溫度變化量。而含水率變化產(chǎn)生的應(yīng)變表示為

εω=α△ω （2）

式中：εω為濕度變化產(chǎn)生的應(yīng)變；α為濕度線膨脹系數(shù)；△ω為濕度變化量。在應(yīng)變相等的情況下，有

β=α△ω/△t （3）

這樣，β，△t即可轉(zhuǎn)化為濕度場參數(shù)對應(yīng)的溫度場參數(shù)。

本文數(shù)值分析，ω=0表示原始含水率，對應(yīng)溫度變化t=0℃；ω=1表示飽和含水率，對應(yīng)溫度變化t=100℃。中間參數(shù)采用插值法。

3 膨脹圍巖隧道數(shù)值模擬

3.1 模型參數(shù)和模擬方案

模擬隧道以廣西某高速公路膨脹圍巖隧道項目為背景，隧道圍巖為Ⅳ級，隧道洞跨是13m，隧道埋深為42.8m，隧道為典型的單洞雙車道，采用的隧道支護結(jié)構(gòu)為曲墻式帶仰拱復(fù)合襯砌，隧道采用C25鋼筋混凝土為襯砌材料，襯砌厚度為30cm，隧道拱頂?shù)焦把贾?？?zhǔn)25錨桿。隧道圍巖和襯砌材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值分析模型計算參數(shù)

由于隧道結(jié)構(gòu)的縱向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸，因此可忽略其縱向位移和應(yīng)力應(yīng)變變化，其受力狀態(tài)可看成平面應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。計算軟件采用ANSYS大型有限元軟件二維有限元模擬。計算選用DP理想彈塑性材料模型，巖體采用PLANE42，初期支護的錨桿采用LINK1單元，鋼筋混凝土噴層和二次襯砌采用BEAM3單元，都假設(shè)為線彈性材料。根據(jù)ANSYS模擬計算范圍確定原則，隧道周圍大于5倍洞跨以外的圍巖范圍受到圍巖施工的影響幾乎可以忽略不計。所以本模型計算范圍取3～5倍洞跨，垂直方向：隧道到底部邊界取65m，隧道拱頂至地面為41m，水平方向長度為洞跨的8倍。模型約束，隧道左右邊界采用水平約束，上邊界采用自由邊界，下邊界采用豎直方向約束。

本文模擬了膨脹圍巖隧道在不同線膨脹系數(shù)大小條件下支護結(jié)構(gòu)和巖體之間的相互作用及在臺階開挖條件下圍巖應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，使用了ANSYS的單元“生死”功能[10]來進行有限元數(shù)值分析。所謂將模型單元“殺死”，就是將該單元的剛度矩陣乘以一個非常小的因子，其單元荷載和質(zhì)量、泊松比等其他參數(shù)也變?yōu)?，在數(shù)值分析中，“死”單元不能再發(fā)揮作用，而“激活”單元即將已經(jīng)殺死的單元恢復(fù)到它原來的剛度和質(zhì)量。

主要模擬步驟為：（1）首先利用ANSYS的溫度場模塊來模擬模型的濕度場應(yīng)力；（2）建立整個計算模型和支護結(jié)構(gòu)模型；（3）劃分網(wǎng)格，圍巖部分劃分加密；（4）“殺死”支護結(jié)構(gòu)單元，施加重力荷載，完成自重應(yīng)力場的模擬：（5）“殺死”所有洞室內(nèi)單元，模擬隧道全斷面開挖；（6）“激活”支護單元，將（1）中的濕度應(yīng)力作為體荷載施加在模型上，模擬膨脹巖隧道開挖全過程。

3.2 模擬結(jié)果分析

通過課題組對膨脹巖土的試驗研究發(fā)現(xiàn)，在含水率為23%左右膨脹巖土達到飽和狀態(tài)，所以本文模擬含水率分別為ω=0、ω=6%、ω=18%和ω=23%狀態(tài)下的圍巖位移、應(yīng)力變化規(guī)律。膨脹圍巖的含隧道圍巖支護開挖后，在不含水條件和不同含水條件下，由隧道圍巖的x方向位移變化狀態(tài)分布圖1（a，b，c，d）可知，為便于結(jié)果分析，現(xiàn)將結(jié)果整理表2，由表2分析得隨著含水率的增大，隧道圍巖在x方向的位移逐漸增大，ω=6%比ω=0增大了23.36%；ω=18%比ω=6%增大了1.33%；ω=23%比ω=18%增大了2.03%。ω=0和ω=6%、ω=6%和ω=18%，雖然后者相對前者，含水率比例增大了三倍，但是x方向的位移增大的比例只有前者的1/20，分析可得，膨脹巖土在一開始持水條件軟化程度最大，強度降低程度也最大，隨著含水時間的增加，強度降低幅度減小。可得，膨脹圍巖的含水率越高，圍巖的膨脹越充分，膨脹圍巖的位移越大。此外，有不同含水率條件下x方向的位移云圖可以看出，圍巖的最大位移都發(fā)生在拱頂和拱底兩側(cè)，這也是施工中的薄弱環(huán)節(jié)，在實際工程中要給予一定的重視。

由表2可知，隨著含水率的增大，圍巖的豎向位移遞增，拱頂和拱底的最大沉降量增大，ω=6%比ω=0增大了16.14%；ω=18%比ω=6%增大了80.27%；ω=23%比ω=18%增大了186.01%。由遞增的坡度逐漸變大可知，含水率越高，對膨脹圍巖隧道的影響越大。由x方向位移隨含水率遞增的梯度和豎向位移隨含水率遞增的梯度對比顯示，隧洞兩側(cè)的支護施加要及時，施工中為了增加圍巖的穩(wěn)定性，應(yīng)在整個拱周施加錨桿。在膨脹圍巖施工過程中一定要做好排水防水工作，盡量減少對工程造成的損失。

如前所述，含水率的變化對隧道圍巖的位移變化有顯著的影響。同樣，不同含水率的變化對膨脹隧道圍巖的應(yīng)力也有明顯的影響。

在不同含水率條件下，隧道圍巖x、y方向的應(yīng)力隨含水率的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，這主要由于隨著含水率的增加，隧道圍巖巖性軟化程度加深，圍巖強度持續(xù)降低的結(jié)果，也預(yù)示著隨著圍巖含水率的增加，圍巖穩(wěn)定性也在大大降低。

4 結(jié)束語

利用有限元軟件ANSYS的熱-應(yīng)力耦合場分析，對不同含水率條件下隧道圍巖的應(yīng)力和位移變形的分布規(guī)律進行了系統(tǒng)的分析，得出以下結(jié)論：（1）通過二維有限元分析可看出，隧道圍巖拱頂、兩側(cè)邊墻和拱腳容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，是施工的薄弱環(huán)節(jié)；遇水環(huán)境下，拱頂下沉量、兩側(cè)邊墻水平位移和拱底變形量都隨ω的增大而增大，如果考慮到隧道圍巖的流變效應(yīng)，這種影響將更加明顯。（2）含水條件下，膨脹圍巖隧道的圍巖應(yīng)力隨著ω增加而減小，原因是含水條件下，膨脹巖土發(fā)生了一定的物理和化學(xué)變化，導(dǎo)致隧道圍巖巖性軟化，強度降低。

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