滲水條件下膨脹土隧道圍巖濕度場演化規(guī)律數(shù)值模擬研究

王輔圣

(中鐵二十四局集團安徽工程有限公司，安徽合肥 230011)

膨脹土一般富含強烈親水性礦物，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮特點[1,2]。膨脹土的膨脹變形與初始含水率、最終含水率和上覆荷載等有關[3-5]。土體濕度增高時，體積膨脹并形成膨脹壓力，土體干燥失水時，體積收縮并形成收縮裂縫，在反復濕脹干縮過程中，膨脹壓力及脹縮變形對隧道支護結構的變形和穩(wěn)定十分不利[6-8]。有很多學者開展了這方面的研究：周坤[9]利用有限元方法分析隧道開挖后，周圍膨脹土吸水膨脹對隧道襯砌、錨桿的作用，認為隧道襯砌內(nèi)力與埋深、膨脹率和膨脹圈厚度有關，且膨脹率對隧道結構的影響最大，膨脹圈厚度次之，埋深對隧道結構的影響最小。林剛等[10]基于膨脹力的概念提出膨脹接觸壓力的定義，通過接觸單元研究膨脹接觸壓力與膨脹巖土分布、厚度、結構及地層剛度等的關系。郭瑞等[11]通過數(shù)值模擬方法研究盾構管片周圍膨脹土分布位置及膨脹接觸壓力對管片結構變形和內(nèi)力的影響規(guī)律，指出隧道上方或下方存在膨脹土時，其吸濕膨脹會增大管片結構的變形和內(nèi)力。曾仲毅等[12]利用FLAC3D熱-力耦合模塊對膨脹土隧道增濕過程進行模擬，得出支護結構受力變形隨含水率分布及膨脹力大小的變化規(guī)律，得到對隧道支護結構可能產(chǎn)生危害的關鍵含水率和膨脹力值。

在對膨脹土吸濕后隧道襯砌結構的受力變形特性進行分析之前，深入了解隧道周圍膨脹土在滲水條件下的濕度場變化規(guī)律是非常必要的，因為這將直接關系到隧道周圍膨脹土中的膨脹力及膨脹土與襯砌結構的膨脹接觸壓力的發(fā)展情況。繆協(xié)興等[13]基于溫度場與濕度場的相似性提出膨脹巖體受水作用下的濕度應力場理論。曾仲毅等[12]、晁峰等[14]基于類似的原理分析膨脹土濕度變化條件下膨脹力發(fā)展對支護結構的影響。

建立PLAXIS二維數(shù)值模型，在定義隧道開挖松動區(qū)范圍(吸濕區(qū)域)的基礎上，采用溫度場模擬濕度場的方法，對隧道開挖過程中周圍膨脹土滲水增濕過程進行模擬分析，獲得不同開挖擾動程度下，膨脹土濕度場隨隧道開挖過程的發(fā)展規(guī)律，為后續(xù)分析膨脹土增濕膨脹對隧道支護結構受力變形的影響奠定基礎。

1 數(shù)值模型及模擬方案

1.1 計算模型及參數(shù)

合肥市某膨脹土地區(qū)地鐵區(qū)間隧道采用CRD法施工，隧道寬7.6m，高8 m，埋深15 m，初期支護采用噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)+格柵鋼架。原設計開挖順序為1→2→3→4(見圖1)，該工法效率較低；實際施工開挖順序為1→3→2→4，其中3→4間隔5 m，1→3間隔5 m，每步進尺1.5～2 m。

圖1 新奧法隧道開挖分區(qū)示意

為消除邊界效應，結合工程經(jīng)驗，確定模型“寬×高”為100 m×40 m，如圖2所示。模型坐標原點位于模型左上角點，模型上表面對應地表(高程為±0.000 m)，共包含4個土層，自地表以下依次為填土(高程0.000～-2.000 m)、黏土2(高程-2.000～-8.000 m)、膨脹土3(高程-8.000～-25.000 m)和黏土4(高程-25.000～-40.000 m)。隧道“寬×高”取為7.6 m×8 m，拱頂高程為-15.000 m。模型中地下水位設于隧道下方(地下水位高程-30.000 m)。

地層采用15節(jié)點的高階三角形單元進行離散，共劃分1 062個單元，8 920個節(jié)點(見圖3)。巖土體本構采用土體硬化(HS)模型，該模型適用于開挖類涉及復雜加卸載過程的巖土體力學行為模擬[15]。初期支護為噴射混凝土(C25，厚25 cm)和臨時支撐工字鋼(工22a)，采用板單元模擬，噴射混凝土與周圍土體之間設置接觸面，以考慮其相互作用。

數(shù)值計算中采用的巖土體物理力學參數(shù)及結構單元參數(shù)分別見表1和表2。其中，土體強度參數(shù)根據(jù)固結快剪指標修正而來，土體熱參數(shù)(熱膨脹系數(shù)α和導熱系數(shù)λ)根據(jù)膨脹力試驗和表面浸潤試驗結果，結合數(shù)值模擬確定。

圖2 土體分層、水位及隧道結構幾何模型(單位：m)

圖3 隧道與土體有限元網(wǎng)格及邊界條件

表1 土體物理力學參數(shù)

表2 板單元參數(shù)

說明：EA—軸向剛度；EI—抗彎剛度；d—厚度；w—重度；v—泊松比；Mp—極限抗彎承載力；Np—極限抗壓承載力。

1.2 松動區(qū)范圍

地下工程開挖前巖體處于初始應力狀態(tài)(即原巖應力狀態(tài))，稱為“一次應力狀態(tài)”。地下工程開挖后，由于應力重新分布的結果，圍巖處于“二次應力狀態(tài)”。根據(jù)二次應力與圍巖強度之間的關系，地下工程開挖后圍巖的力學狀態(tài)可分為2種情況：一種是開挖的圍巖仍處在彈性狀態(tài)，此時圍巖是穩(wěn)定的(自穩(wěn))；另一種是開挖后的二次應力狀態(tài)超過圍巖的強度，此時圍巖處于塑性甚至破壞狀態(tài)，圍巖將產(chǎn)生較大的塑性變形或破壞。

對于半無限體中的孔洞問題，根據(jù)塔羅勃、卡斯特奈等給出的彈塑性圍巖中的應力(見圖4)分析，圍巖內(nèi)出現(xiàn)塑性區(qū)(1區(qū)和2區(qū))后，一方面使應力不斷地向圍巖深部轉移，另一方面又不斷地向洞室方向變形并逐漸解除塑性區(qū)的應力。根據(jù)塑性區(qū)內(nèi)應力高低，又可將塑性區(qū)分為內(nèi)外兩層，內(nèi)層塑性區(qū)的應力低于初始應力(1區(qū))，外層塑性區(qū)的應力高于初始應力(2區(qū))。外層塑性區(qū)與圍巖彈性區(qū)中應力升高部分(3區(qū))合在一起稱作“承載區(qū)”；內(nèi)層塑性區(qū)內(nèi)(1區(qū))，圍巖應力和強度都有明顯下降，出現(xiàn)明顯的塑性滑移，稱作“松動區(qū)”[16-18]。

σθ—切向應力；σr—徑向應力；1—松動區(qū)；2、3—承載區(qū)；4—初始應力區(qū)圖4 彈塑性圍巖應力狀態(tài)

隧道開挖卸載引起應力釋放，導致周邊一定范圍內(nèi)巖土體發(fā)生變形松動，隧道周邊形成“松動區(qū)”。在松動區(qū)內(nèi)，圍巖變形比較顯著，甚至可能發(fā)生塑性破壞、裂隙發(fā)育、巖土體性質劣化。本節(jié)將通過數(shù)值計算確定隧道開挖后的松動區(qū)范圍，在后續(xù)計算分析中假定滲水增濕僅發(fā)生在松動區(qū)范圍內(nèi)。表層填土不具有膨脹性，不計入本節(jié)定義的松動區(qū)中。

巖石工程領域中關于松動區(qū)的理論分析主要以開挖后引起洞壁周邊巖體的應力變化來分析松動區(qū)?？紤]此處研究對象(膨脹土)的特性，并結合數(shù)值模擬結果，可以從隧道開挖后引起周邊土體的偏應力變化與位移變化中大致確定松動區(qū)域的范圍。

如圖5所示，初始階段偏應力呈水平分布，隧道開挖后，由于開挖卸載及支護阻力的綜合作用，洞壁周邊偏應力集中，可將偏應力等值線集中區(qū)域(受擾動發(fā)生彎曲的部分)視為松動區(qū)。隧道開挖之前巖土體位移為零，開挖卸載后，周邊巖土體向臨空面方向移動，產(chǎn)生位移，可將位移量較大的區(qū)域視為松動區(qū)，如圖6所示。綜合考慮，在隧道周邊左、右、下方各取一倍洞徑，拱頂上方取至黏土2頂面，依此劃定考慮增濕膨脹的隧道開挖松動區(qū)域。

圖5 隧道開挖引起周圍土體偏應力分布等值線

圖6 隧道開挖引起周圍土體位移分布等值線

1.3 濕度場演化規(guī)律模擬方案

(1)邊界條件

受隧道開挖影響，隧道周邊土體形成松動區(qū)，松動區(qū)內(nèi)膨脹土性質劣化，產(chǎn)生裂隙，滲透系數(shù)提高，為上層滯水提供了下滲通道。為了模擬增濕膨脹引起隧道結構產(chǎn)生的附加應力和附加變形，需設置相應的熱邊界條件。

本節(jié)計算采用水土合算的方法，除上層滯水下滲外，不考慮地下水的影響，模型地下水位設在地表以下-30.0 m處，僅考慮賦存于地表填土層中的水體沿松動區(qū)下滲。將地表填土層底面(即黏土2層頂面)設為增濕邊界，在溫度場模擬中，將填土層底面設為溫度邊界，即模型高程-2.000 m處設置為303.1 K(對應于增濕最大飽和度)。模型兩側面和底面視為不受上層滯水下滲影響，設為封閉邊界(無溫度變化，無熱量交換，飽和度不變)。

(2)模擬方案

隧道開挖擾動在洞壁周邊形成松動區(qū)，松動區(qū)內(nèi)應力場、變形場均與原始狀態(tài)有顯著差異，松動區(qū)內(nèi)土體產(chǎn)生裂隙，滲透系數(shù)提高[19]。根據(jù)溫度場與滲流場之間的相似性，滲流場下的土體滲透系數(shù)提高，可視為溫度場下的土體導熱系數(shù)提高[9]。此處采用溫度場下的土體升溫膨脹模擬膨脹土的增濕膨脹特性[12]，假定僅在松動區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生吸水增濕，隧道周邊松動區(qū)相對原始狀態(tài)土體的滲透系數(shù)有所提高。因此，共考慮三種開挖擾動程度下土體導熱系數(shù)的變化，相應地，膨脹土導熱系數(shù)分別為原始導熱系數(shù)的100倍、1 000倍和10 000倍(見表3)。此處僅考慮松動區(qū)內(nèi)土體導熱系數(shù)升高單一因素的變化。

在開挖過程中，隧道周邊松動區(qū)的范圍將隨開挖斷面的變化而動態(tài)發(fā)展。按圖6所示方法確定隧道開挖松動區(qū)范圍，并假定松動區(qū)范圍在隧道開挖過程中保持不變。根據(jù)施工臺賬，隧道完成全斷面開挖需用時約28 d，數(shù)值模擬中松動區(qū)增濕時間按28 d考慮。

表3 隧道開挖松動區(qū)不同擾動程度下的土體導熱系數(shù) (kW/m)/K

圖7 隧道各開挖階段上層水入滲增濕(升溫)后溫度場(輕微松動)

(3)施工階段設置

如前所述，該隧道約28 d可完成一次全斷面開挖。在這28 d內(nèi)，因降雨或其他因素(地表填土層內(nèi)水體補給充足，在隧道開挖形成松動區(qū)后，上層水滲入松動區(qū)，膨脹土增濕膨脹)，將影響隧道結構變形及受力[8]。為模擬伴隨隧道開挖過程產(chǎn)生的膨脹土增濕膨脹及其對隧道支護結構的影響，按表4進行膨脹土隧道增濕膨脹模擬。針對松動區(qū)的每一種松動程度(見表3)均按表4定義施工階段，分別進行模擬。

表4 膨脹土隧道增濕膨脹模擬施工階段設置

2 計算結果分析

隧道開挖施工會對周圍地層產(chǎn)生擾動，這種擾動越大則膨脹土地層產(chǎn)生的裂隙越多，導致上層潛水更加容易滲入到膨脹土中。膨脹土浸水增濕后會發(fā)生膨脹，產(chǎn)生膨脹力，進而影響支護結構的受力特性。以1.2節(jié)中劃定的隧道開挖周邊松動區(qū)域為基礎，設置不同擾動程度下松動區(qū)域土體不同的導熱系數(shù)及表層滲水邊界條件，進而考慮不同程度開挖擾動引起的松動區(qū)域膨脹土增濕膨脹，揭示隧道施工過程中膨脹土吸水增濕過程的發(fā)展規(guī)律以及對隧道初期支護結構受力的影響。

圖7～圖9所示為隧道開挖引起周圍土體不同擾動程度條件下，隧道各施工階段松動區(qū)域內(nèi)膨脹土升溫膨脹(模擬增濕膨脹)后溫度場分布(相當于水頭分布)發(fā)展情況。圖10～圖12為不同擾動程度條件下各施工階段松動區(qū)域的熱流量。為便于比較，還給出了各施工階段中，隧道初支結構拱頂溫度與土體擾動程度的關系曲線(見圖13)。

圖8 隧道各開挖階段上層水入滲增濕(升溫)后溫度場(顯著松動)

圖9 隧道各開挖階段上層水入滲增濕(升溫)后溫度場(完全松動)

圖10 隧道各開挖階段上層水入滲增濕(升溫)后熱流量(輕微松動)

圖11 隧道各開挖階段上層水入滲增濕(升溫)后熱流量(顯著松動)

圖12 隧道各開挖階段上層水入滲增濕(升溫)后熱流量(完全松動)

模型中表層填土底面設為熱源(溫度邊界模擬固定水頭邊界)。從圖7～圖9所示的溫度場發(fā)展和圖10～圖12所示的熱流量發(fā)展可以看到，隨著施工過程推進，時間增加，松動區(qū)域內(nèi)土體溫度逐漸升高，溫度影響深度逐漸增大，表明上層水入滲使得松動區(qū)域土體增濕的深度逐漸加深。同時，隨著擾動程度增加(土體導熱系數(shù)增大)，松動區(qū)域溫度也增高，表明擾動越大增濕速度越快。

在“輕微松動”條件下，由于松動區(qū)域土體導熱系數(shù)不大，隧道開挖完成后，溫度影響深度(增濕影響深度)尚未達到黏土3(見圖7和圖10)，此時膨脹土增濕膨脹對隧道基本沒有影響，隧道結構的溫度基本不變，約為293 K(見圖13)。

在“顯著松動”條件下，松動區(qū)域土體導熱系數(shù)有一定提高，隨著施工過程推進，溫度影響深度(增濕影響深度)逐漸增大，隧道開挖完成時，溫度影響深度達到隧道軸線所處深度(見圖8和圖11)，但此時隧道周邊土體的溫度尚未達到上部溫度邊界的303.1 K，即松動區(qū)域增濕尚未達到飽和，隧道結構的溫度有部分變化，拱頂達到298 K，底部達到294 K(見圖13)。

相比較而言，“完全松動”條件下，松動區(qū)域土體導熱系數(shù)有較大提高，在隧道開挖完成后，整個松動區(qū)域溫度基本都達到溫度邊界條件的溫度(見圖9和圖12)，表明松動區(qū)域增濕達到飽和狀態(tài)，此時，隧道初支結構內(nèi)力比洞周土體無增濕膨脹條件下的結構溫度有較大提高，初支結構溫度最終達到302.5 K，接近表層土溫度邊界條件的設定溫度(見圖13)。

3 結論與討論

(1)提出了膨脹土隧道周邊吸水膨脹主要影響區(qū)的簡化確定方法，基于熱固耦合原理研究了膨脹土隧道濕度場演化規(guī)律。數(shù)值模擬結果表明，基于定義的簡化“松動區(qū)”和溫度場模擬濕度場的思路，可以比較合理地描述隧道周邊松動區(qū)內(nèi)土體濕度隨時間(開挖過程)逐漸升高、滲水增濕影響范圍逐漸增大的過程。

(2)隨著圍巖擾動程度增加，松動區(qū)土體吸水增濕幅度也增大，表明隧道開挖對周邊土體的擾動越大，滲水增濕速度越快，相應的膨脹土增濕膨脹產(chǎn)生的膨脹力也越大，對隧道結構不利。因此，應從減少擾動和防止?jié)B水兩方面進行控制，確保膨脹土隧道的受力和變形處于合理范圍內(nèi)。

(3)為了便于討論和簡化計算，針對不同圍巖擾動情況，采用了單一的膨脹系數(shù)指標。有研究表明，膨脹系數(shù)與最終含水率、膨脹率及初始含水率等有關，后續(xù)研究中可考慮引入真正的膨脹土本構關系，以期更真實全面地描述膨脹土的力學行為。

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