考慮巖體流變的隧道錨長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究

, ，,

(1.中國(guó)電建集團(tuán) 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410014;

2.湖南省高速公路管理局，長(zhǎng)沙 410014)

1 問題的提出及研究思路

隧道錨錨塞體的作用主要是將橋梁設(shè)計(jì)的主纜力傳遞于山體中的穩(wěn)定圍巖，從而形成錨塞體和圍巖共同受力體。而圍巖體是一種流變性材料，具有長(zhǎng)期時(shí)效性，這就給隧道錨工程安全穩(wěn)定分析帶來(lái)2個(gè)問題：第1，圍巖與混凝土接觸面的力學(xué)強(qiáng)度特性如何計(jì)算？第2，如何考慮圍巖的長(zhǎng)期流變影響(包括變形和穩(wěn)定性)？

隧道錨長(zhǎng)期穩(wěn)定性計(jì)算分析的關(guān)鍵在于力學(xué)模型及參數(shù)的確定。為了解決上述2個(gè)問題，綜合考慮文獻(xiàn)調(diào)研、專家咨詢、工程類比等成果[1-12]，擬采用研究思路為：①通過(guò)混凝土與圍巖長(zhǎng)期剪切強(qiáng)度試驗(yàn)獲得混凝土與圍巖接觸面的長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)，并采用FLAC3D軟件中的接觸面單元模擬錨塞體與圍巖的接觸關(guān)系；②采用FLAC3D軟件中的CVISC黏彈塑模型模擬圍巖的長(zhǎng)期流變作用，采用單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)獲得CVISC黏彈塑模型中相關(guān)參數(shù)；③將CVISC黏彈塑模型及長(zhǎng)期接觸面模型融入概化的依托工程隧道錨模型中，通過(guò)仿真分析獲得設(shè)計(jì)主纜力正常工作條件下圍巖、錨塞體的位移變化規(guī)律以及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2 CVISC模型及參數(shù)識(shí)別

2.1 CVISC模型理論基礎(chǔ)

FLAC3D軟件中的Burgers模型與Mohr-Coulomb模型串連而成的復(fù)合黏彈塑性模型CVISC模型，其一維應(yīng)力狀態(tài)下的流變模型如圖1所示。該模型由馬克斯韋爾模型、開爾文模型和一個(gè)塑性元件串連而成。σ為巖土體應(yīng)力，EM,EK,ηM,ηK分別為彈性模量、黏彈性模量、馬克斯韋爾黏性系數(shù)和開爾文黏性系數(shù)，σf為巖土體材料的屈服強(qiáng)度，εM,εK,εP分別為馬克斯韋爾體、開爾文體的應(yīng)變和塑性應(yīng)變。

圖1 FLAC3D中的CVISC模型圖

2.2 CVISC模型流變參數(shù)識(shí)別

流變模型參數(shù)可由單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)[3]獲得，巖石的壓縮流變是指巖石在軸向壓縮狀態(tài)下表現(xiàn)出來(lái)的變形隨時(shí)間增長(zhǎng)而變化的力學(xué)特性。單軸流變?cè)囼?yàn)方法及流程如下所述。

2.2.1 試驗(yàn)方法

巖石試件取自于左錨錠洞深42 m處弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。將試件加工分組，在天然狀態(tài)下進(jìn)行單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)。選取6塊試件進(jìn)行單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)，以確定巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度。巖石的單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)是在3臺(tái)大型土工壓縮儀上同時(shí)進(jìn)行，壓縮儀的最大加載能力為1 000 kN，由數(shù)顯千分表與荷重傳感器自動(dòng)采集試件的變形與施加的應(yīng)力。試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，加荷應(yīng)力由低到高，第1級(jí)為2.0 MPa，應(yīng)力間隔參照試件變形情況確定，變形穩(wěn)定后施加下一級(jí)荷載，直到試件破壞為止。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

6塊巖石試件流變?cè)囼?yàn)編號(hào)為：1-3，1-6，1-7，1-8，1-9，1-10。各試件單軸壓縮流變時(shí)間見表1。各試件單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)曲線成果見圖2，單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)前、后實(shí)物圖見圖3。

表1 單軸壓縮流變加載時(shí)間

圖2 試件單軸壓縮流變曲線

單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明：在低應(yīng)力水平下，流變變形相對(duì)較小；在經(jīng)過(guò)短時(shí)間初期流變之后，變形趨于穩(wěn)定。

圖3 單軸壓縮流變實(shí)物

2.2.3 CVISC流變模型參數(shù)取值

根據(jù)6塊巖石壓縮流變?cè)囼?yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、工程重要性等級(jí)及室內(nèi)試驗(yàn)條件等其它因素的影響，根據(jù)第2.2節(jié)理論推導(dǎo)，結(jié)合單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)資料可得CVISC模型中各參數(shù)見表2,表2參數(shù)物理含義詳見第2.1節(jié)。

表2 圍巖CVISC模型參數(shù)建議值

2.3 圍巖與混凝土接觸面長(zhǎng)期強(qiáng)度參數(shù)取值

2.3.1 試驗(yàn)過(guò)程及方法

南錨碇隧道錨錨塞體混凝土與巖體接觸面長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度主要通過(guò)剪切流變?cè)囼?yàn)獲得。長(zhǎng)期剪切強(qiáng)度試驗(yàn)主要進(jìn)行了5塊剪切流變?cè)囼?yàn)，試件編號(hào)為：2-2，2-3，2-4，2-5，2-9?？辜魪?qiáng)度試驗(yàn)試件制備、試驗(yàn)過(guò)程、試驗(yàn)結(jié)果整理等參照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》執(zhí)行。部分剪切試驗(yàn)曲線結(jié)果見圖4，剪切流變?cè)囼?yàn)前、后實(shí)物見圖5。

圖5 剪切流變?cè)囼?yàn)實(shí)物

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)剪切流變?cè)囼?yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，參照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》取值方法、綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、工程重要性等級(jí)及室內(nèi)試驗(yàn)條件等其它因素的影響，接觸面模型中各強(qiáng)度參數(shù)見表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明：所有試件基本沿圍巖與混凝土剪切面發(fā)生剪切破壞。試驗(yàn)結(jié)果顯示：圍巖混凝土接觸面短期剪切強(qiáng)度值為0.33～1.25 MPa，圍巖與混凝土接觸面長(zhǎng)期剪切強(qiáng)度值為0.23～0.79 MPa，與短期剪切強(qiáng)度值相比，長(zhǎng)期強(qiáng)度降低27.69 %～45.71 %。根據(jù)圍巖與混凝土接觸面長(zhǎng)期剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，綜合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)條件及類似工程經(jīng)驗(yàn)等，圍巖與混凝土接觸面長(zhǎng)期剪切強(qiáng)度建議值取值為：黏聚力155 kPa，內(nèi)摩擦角32°。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

擬建的某跨江大橋全長(zhǎng)1 305 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為820 m單跨懸索橋，主梁為鋼箱梁，主纜索塔為門式框架，下部為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。大橋南岸錨碇?jǐn)M采用隧道式預(yù)應(yīng)力復(fù)合錨碇結(jié)構(gòu)。從大橋南岸隧道錨錨固區(qū)工程地質(zhì)條件來(lái)分析：隧道錨洞室?guī)r體主要為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)，以粉砂質(zhì)泥巖為主，局部含薄層砂巖，在整個(gè)場(chǎng)地連續(xù)分布；錨固范圍內(nèi)巖體為弱風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化巖體，圍巖類別分別為Ⅳ類和Ⅴ類，依據(jù)巖體的變形和強(qiáng)度參數(shù)判別，屬于軟巖，其承載力和穩(wěn)定性相對(duì)較低。

3.2 概化計(jì)算模型

計(jì)算模型共劃分單元268 241個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為117 090；采用接觸面單元模擬圍巖與錨塞體混凝土之間的相互作用，接觸面單元3 600個(gè)，接觸面單元節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 920。詳見圖6。按照設(shè)計(jì)主纜拉力(2根主纜拉力T=3.154×105kN, 后錨面單位面積均布荷載P=519.439 6 kPa)模擬了錨塞體加載過(guò)程。

圖6 計(jì)算模型概化圖

計(jì)算思路為：首先，對(duì)整個(gè)模型賦彈性模型計(jì)算初始應(yīng)力場(chǎng)；其次，賦彈塑性模型于整個(gè)模型，并計(jì)算隧道錨錨碇室開挖支護(hù)及隧道錨荷載施加；然后，將位移場(chǎng)清零，(為提高計(jì)算效率，在不影響計(jì)算精度的前提下)隧道錨附近區(qū)域圍巖賦CVISC流變模型，遠(yuǎn)離隧道錨區(qū)域圍巖賦彈塑性模型，計(jì)算在1倍主纜力加載過(guò)程中隧道錨運(yùn)營(yíng)期100 a后錨塞體、圍巖的流變位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及接觸面剪切流變位移變化規(guī)律。

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.3.1 計(jì)算說(shuō)明

為方便計(jì)算結(jié)果的說(shuō)明，圖7為流變計(jì)算錨塞體位移、應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn)的位置示意圖, 此次計(jì)算的目的主要是為研究圍巖流變對(duì)錨塞體的影響，廣義的圍巖流變認(rèn)為流變是指應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下變形、應(yīng)變隨時(shí)間而增長(zhǎng)的性質(zhì)，因此計(jì)算結(jié)果主要集中于流變位移場(chǎng)性質(zhì)研究。

圖7 流變計(jì)算位移、應(yīng)力監(jiān)控點(diǎn)

3.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

錨塞體流變位移計(jì)算結(jié)果見圖8，不同時(shí)間下接觸面最大剪切流變位移計(jì)算結(jié)果見表4，圍巖流變位移計(jì)算結(jié)果見圖9及表5。

圖8 錨塞體監(jiān)控點(diǎn)流變位移隨時(shí)間變化

圖9 1 a后y=-22 m剖面位移云圖

表4 不同時(shí)間下接觸面最大剪切位移計(jì)算結(jié)果

表5 計(jì)算值

監(jiān)控點(diǎn)位移計(jì)算結(jié)果顯示：隨著時(shí)間增長(zhǎng)，錨塞體位移會(huì)有一定增長(zhǎng)；主纜力施加后初期，錨塞體位移增長(zhǎng)速率較快；施加主纜拉力后0.5～2 a內(nèi)，錨塞體位移增長(zhǎng)速率明顯減緩；施加主纜拉力后4～100 a內(nèi)，錨塞體位移基本不變。1倍設(shè)計(jì)主纜拉力(1P)作用下100 a內(nèi)錨塞體監(jiān)控點(diǎn)流變位移最大值約1.43 mm。錨塞體位移分布特征為：最大值出現(xiàn)在錨塞體底部，且隨著錨塞體斷面面積變小錨塞體斷面位移逐漸減小，分析其原因可能為錨塞體受荷作用類似于地基樁基礎(chǔ)受載，錨塞體斷面面積越小離后錨面將越遠(yuǎn)，其受荷載作用影響越小，故其位移將減小。

表4接觸面剪切位移表明：1倍設(shè)計(jì)主纜拉力(1P)作用下100 a內(nèi)接觸面最大剪切位移約1.49×10-3mm,接觸面剪切位移值相對(duì)較小。

圖9及表5圍巖變形分布情況表明，在計(jì)算時(shí)間范圍內(nèi)，y=22 m剖面及y=-22 m剖面,圍巖位移特征為：1倍設(shè)計(jì)主纜拉力(1P)作用下錨塞體周邊圍巖最大位移計(jì)算值為2.0～3.2 mm。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)以FLAC3D軟件中CVISC流變模型為理論基礎(chǔ)，通過(guò)單軸壓縮流變?cè)囼?yàn)及長(zhǎng)期接觸面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)獲得與巖體流變相關(guān)的力學(xué)參數(shù)，并將CVISC模型和獲得的參數(shù)融入隧道錨數(shù)值仿真模型，進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析，此方法具有一定可行性，可為其它類似工程研究提供思路。

(2)依托封場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析結(jié)果表明：隧道錨在1倍設(shè)計(jì)主纜力施加后100 a內(nèi)，錨塞體、圍巖、錨塞體與圍巖接觸面長(zhǎng)期變形小，較符合工程設(shè)計(jì)安全要求。

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