偏心荷載作用下明挖隧道縮尺模型測試研究

楊 果

(貴州省高速公路開發(fā)總公司，貴州貴陽550004)

明挖法隧道設計要考慮現(xiàn)場條件，比如土壓力、自重、溫度荷載、地震等。在所有這些條件中，作用在襯砌的土壓力通過回填自重加以考慮。通常，隧道襯砌結(jié)構分析估計土壓力時沒有考慮地質(zhì)方面的因素。但是，在多數(shù)情況下原有的傾斜地形在施工過后必須保留原樣，因此傾斜回填上的非均不荷載由此而生，這方面的研究鮮見報道。對此，本文進行了明挖隧道縮尺模型試驗:首先，由柔性理論確定模型的尺寸，測試荷載主要為砂和土壓力，通過空氣壓力施加以模擬;其次，在測試過程中對徑向位移，模型襯砌內(nèi)外應變進行監(jiān)測;最后，在周密控制下根據(jù)設計程序完成了整個模型試驗。

圖1 試驗框架

1 試驗裝置和測試傳感器

1.1 試驗裝置

模型框架如圖1所示，寬 150cm，長 30cm，建造在鋼基礎之上。模型框架設計高60cm，以保證在隧道襯砌上砂層高度超過隧道襯砌一倍直徑。為模擬現(xiàn)場原有較高的壓力，壓力裝置設計如圖2所示。這個壓力裝置沿長度分為15個獨立單元，每個單元都有自己獨立的塑料管，里面的空氣壓力通過控制箱控制，如圖3。模型地基為通過淋降法制作的干砂，施工順序通過壓力裝置模擬。模型襯砌由鋁質(zhì)材料預制而成，直徑為30cm成半圓形。利用柔性率根據(jù)尺寸準則，模型襯砌厚度確定為8mm。

圖2 壓力裝置

圖3 壓力控制箱

1.2 測試傳感器布置

(1)土壓力傳感器:安裝于模型襯砌的拱頂和肩部。試驗中在填土過程中土壓力的變化通過BE－2KC傳感器監(jiān)測，傳感器直徑30mm，測試范圍0～200MPa，工作溫度范圍－10℃～60℃。在模型襯砌拱頂P2點和肩部P1、P3點的傳感器安裝位置對稱于隧道襯砌的中軸線，如圖4所示。

圖4 壓力傳感器布置

(2)徑向位移傳感器:徑向位移為沿隧道中心方向的襯砌位移，在拱頂和肩部安裝傳感器監(jiān)測位移。徑向位移傳感器DTH－A－5型，最大監(jiān)測范圍5mm，工作環(huán)境溫度為0℃～60℃。傳感器安裝位置拱頂(L2)和肩部(L1、L3)對稱于隧道襯砌中軸線對稱，如圖5所示。

圖5 徑向位移傳感器布置

圖6 應變計布置

(3)應變計:襯砌圓周應變通過粘接在襯砌內(nèi)部和外部表面的應變計來監(jiān)測。所采用的應變計型號為KFG－23，寬度1mm，工作環(huán)境溫度10℃～100℃，不考慮溫度補償。傳感器在拱頂(S3，S8)，肩部(S2，S4，S7，S9)的位置以及彈性線(S1，S2，S3，S4，S5)都對稱于隧道襯砌的中軸線，如圖 6 所示。

2 試驗模型測試

在本次研究中的試驗檢測過程如下:(1)鋁質(zhì)模型襯砌安裝在二維模型框架;(2)模型基礎通過淋降法保持相對密度85%，并要求模型單元頂部砂土保持90cm高度;(3)在完成模型基礎之后，通過空氣壓縮設備對模型單元頂部施加上覆水平壓力以模擬模型基礎上覆回填土施工過程;(4)在這一步驟中，以50kPa逐漸增大施加的荷載，以等效在模擬上部厚10.6m砂形成的地應力;(5)通過空氣壓力設備施加附加壓力以模擬由于堆土造成的均不荷載;如圖7所示，同時監(jiān)測相應的土應力，徑向位移以及應變。為考慮堤岸坡面和角度的影響進行了兩組測試。

2.1 考慮堆土坡面位置的模型襯砌特征

第一組測試為了研究在坡角為25°坡面位置不同所形成的偏心荷載對襯砌的影響。首先，在模型單元頂部預制砂如圖7所示。由于水平回填土上部的坡面堆土造成的上覆壓力通過空氣壓力來模擬。分別進行了7種方案(表1)，不同的方案對應不同的堆土高度。例如，第種7方案和第種6方案對堆土以25°角在明挖隧道中心進行施工的現(xiàn)場狀況。在不同方案之間的距離為0.5D(D為隧道襯砌等效直徑)。

表1 不同方案對應的堆土高度(m)

圖7 不同高度的堆土位置模型

圖8為所監(jiān)測的土壓力、徑向位移以及襯砌應變曲線。圖中所示為由于堤壩坡面位置布同的監(jiān)測曲線，值僅為由于堤壩所造成的集中荷載每次監(jiān)測到的最大值。圖8表明由于在拱頂部位的施工土壓力增加，左右肩部變化如圖2所示。圖8(a)清楚表明曲線梯度連續(xù)增加，尤其在方案5加載后，曲線梯度迅速增加。而且，土壓力和曲線梯度的最大值都出現(xiàn)在隧道襯砌的左肩部。這種情況說明在當?shù)虊纹旅嫖恢梦挥谀Ｐ鸵r砌中心1.0D之內(nèi)時集中荷載一邊的土壓力迅速增加(方案5～方案7)圖8(b)顯示在左肩部施加偏心荷載后徑向位移增加，在右肩部位移向襯砌內(nèi)側(cè)增加，在中心則趨于收斂，在右肩部如預期一樣位移向襯砌內(nèi)部發(fā)展。圖8(c)和圖8(d)顯示在施加偏心荷載后，在左肩部的外部壓應變增加，方向沿隧道襯砌內(nèi)部切向方向，同時在隧道右肩部的外部應拉應變增加，方向沿襯砌外部切向方向，并與徑向位移有相同的發(fā)展趨勢。

圖8 堤壩坡面位置偏心力測試結(jié)果變化曲線

2.2 考慮大壩坡面角度的模型襯砌特性

考慮由堤壩坡面位置不同所引起的施加在襯砌上的偏心力，進行了第二組測試。首先，把砂堆積在模型單元頂部如圖9所示。由水平回填土上部坡面堤壩所引起上覆壓力由空氣壓力來模擬。圖9分別顯示了三個方案的測試。方案1模擬了以20°坡角從明挖隧道中心修筑堤壩的現(xiàn)場條件。方案2和3分別以25°和30°的角度進行了模擬。

圖9 堤壩坡面角度變化模型

測試得到的土壓力、徑向位移、襯砌應變等如圖10所示。圖10(a)清楚表明曲線梯度連續(xù)增加，同時在25°～30°之間呈現(xiàn)急劇變化。最大土壓力值出現(xiàn)在隧道襯砌的左肩部，偏心荷載施加與此。圖10(b)顯示在施加偏心荷載后徑向位移呈增加趨勢，左肩部和中心的位移沿隧道襯砌內(nèi)部方向發(fā)展，在右肩部沿隧道襯砌外方向發(fā)展。圖10(c)和圖10(d)顯示在時間偏心荷載后，左肩部內(nèi)部和外部應變在拉和壓方向都呈增加趨勢，方向沿隧道襯砌內(nèi)法線方向。與此相反，在右見不得內(nèi)外應變拉壓應變也呈增加趨勢，但方向沿隧道襯砌外法線方向，角度與坡面角度的增加相一致。

圖10 不同坡面角度偏心荷載下測試結(jié)果變化曲線

3 結(jié)論

本文論述了受偏心荷載作用下的明挖隧道縮尺模型測試結(jié)果。所有的測試都是使用了相同的砂，同時都測試得到了土壓力、徑向位移以及模型襯砌應變。為考察偏心荷載的影響，進行模型試驗時主要變換如下兩個參數(shù):(1)堤壩坡面的位置;(2)堤壩坡面的角度。

根據(jù)試驗測試得到的結(jié)果，得到如下結(jié)論:

(1)當?shù)虊纹旅娴奈恢迷谒淼滥Ｐ鸵r砌1.0D(D為隧道模型等效直徑)以內(nèi)時，在施加偏心荷載的一邊土壓力增加迅速;

(2)在施加偏心荷載一側(cè)的土壓力變化與堤壩坡面的角度成比例關系;

(3)由測試所得到的位移和應變表明在施加偏心荷載一側(cè)的襯砌向隧道內(nèi)部變形，另一側(cè)襯砌則出現(xiàn)了與此相反的特征。

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