拉林鐵路隧道富水冰磧層力學(xué)特性研究

鄭宗溪，王 巖，劉大剛，胖 濤，劉金松

（1.中鐵二院工程責(zé)任有限公司，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031）

隨著川藏線工程的展開，高原特殊地質(zhì)問題成為了熱點(diǎn)問題。在建的川藏線拉林（拉薩—林芝）鐵路共計(jì)有6 座隧道穿越富水冰磧層，總長(zhǎng)近2 600 m。但目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于冰磧層隧道研究較少，建設(shè)中存在地質(zhì)工程特性認(rèn)識(shí)不清、圍巖預(yù)加固及隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無(wú)據(jù)可循、地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及施工經(jīng)驗(yàn)不足等技術(shù)難題。因此，針對(duì)拉林鐵路出現(xiàn)的冰磧層進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)研究顯得尤為重要。

冰磧層是第四紀(jì)冰川融化過(guò)程中漂石、碎石、砂礫、粉土和黏土在毫無(wú)分選的條件下快速混雜堆積形成的一種特殊巖土材料［1-6］。冰磧層不僅具有密度大、抗剪強(qiáng)度高、沉陷變形小、透水性較強(qiáng)等一般粗粒土特性，也有分選性差、大小顆?；祀s等獨(dú)特性質(zhì)。呂士展等［7］認(rèn)為冰磧層的宏觀特征是無(wú)分選、無(wú)定向、無(wú)磨圓、無(wú)層理。謝春慶［8］通過(guò)水文地質(zhì)試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)、抗剪試驗(yàn)研究了冰磧層的工程性能，得出了冰磧層填料總體干密度大、密實(shí)度較高、滲透性低、承載力高、低變形、抗剪能力高等特點(diǎn)。木勛等［9］通過(guò)滲透試驗(yàn)得出冰磧層填料滲透性好，屬于中透水層。于洪翔等［10］發(fā)現(xiàn)西藏自治區(qū)林州縣冰水堆積物中泥礫部分主要為底磧，壩區(qū)的冰水堆積物主要是冰川和冰融水所形成的地形和堆積物，含泥量明顯高于現(xiàn)代河床沖積物，且隨深度增加孔隙變小、密度增大。

綜上所述，對(duì)川藏線拉林鐵路隧道穿越的富水冰磧層進(jìn)行大型三軸剪切試驗(yàn)，探究相對(duì)密實(shí)度、含水率對(duì)富水冰磧層的影響規(guī)律，同時(shí)分析圍壓對(duì)于冰磧層峰值強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)后續(xù)工程建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料制備

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

冰磧層采用傳統(tǒng)的三軸試驗(yàn)會(huì)因顆粒粒徑過(guò)大而無(wú)法得到試驗(yàn)結(jié)果，而大型三軸剪切試驗(yàn)主要針對(duì)顆粒粒徑不大于60 mm 的土進(jìn)行試驗(yàn)。大型三軸剪切試驗(yàn)儀是一種較為理想的研究?jī)x器。因此，選用應(yīng)力路徑控制的大型三軸剪切試驗(yàn)儀，軸向應(yīng)力、應(yīng)變、圍壓等參數(shù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 大型三軸剪切試驗(yàn)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)材料

試樣取自林芝地區(qū)藏噶隧道，呈灰白色，顆粒大小混雜，分選性差。對(duì)試樣進(jìn)行密度試驗(yàn)，可知冰磧層土的最小干密度為1 980 kg/m3，最大干密度為2 310 kg/m3。對(duì)試樣進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)，得到顆粒粒徑級(jí)配曲線見圖1。

圖1 顆粒粒徑級(jí)配曲線

對(duì)圖1進(jìn)行分析，可計(jì)算出試樣的曲率系數(shù)Cc為5.46，不均勻系數(shù)Cu為35.84，故本次冰磧層試樣為級(jí)配不良土。

1.3 試樣制備

1.3.1 不同相對(duì)密實(shí)度試樣制備

根據(jù)大型三軸試驗(yàn)儀器的操作要求，在進(jìn)行試樣制備時(shí)，試樣的高度應(yīng)保持在60 cm 左右且相對(duì)密實(shí)度不能過(guò)低，否則會(huì)使試樣坍塌。相對(duì)密實(shí)度按照0.56，0.67，0.82，0.95 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試樣的密度試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)結(jié)果，可計(jì)算得到相對(duì)密實(shí)度為 0.56，0.67，0.82，0.95 時(shí)試樣的總質(zhì)量分別為93.38，95.00，97.30，99.40 kg。在進(jìn)行試樣填充時(shí)，采用分層填充的方法，每一層均壓實(shí)，防止出現(xiàn)人為的破壞面。

1.3.2 不同含水率試樣制備

根據(jù)土力學(xué)三相指標(biāo)的計(jì)算公式，可得到含水率與相對(duì)密實(shí)度的計(jì)算公式為

式中：w為含水率；Sr為飽和度；emax為最大孔隙比；emin為最小孔隙比；Dr為相對(duì)密實(shí)度；Gs為土的相對(duì)密度。

通過(guò)計(jì)算得到相對(duì)密實(shí)度為0.56，0.67，0.82，0.95 時(shí)試樣飽和含水率分別為10.39%，9.60%，8.51%，7.58%。可知，試樣的相對(duì)密實(shí)度越高，其飽和含水率越低。

為了研究水對(duì)于試樣峰值強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響關(guān)系，采用相對(duì)密實(shí)度為0.56、不同含水率的試樣進(jìn)行研究。試樣含水率分別為2.30%（天然狀態(tài)），5.07%，7.84%，10.39%（飽和狀態(tài)）。經(jīng)計(jì)算，得到試樣制備時(shí)所需試樣質(zhì)量及水的質(zhì)量，見表2。在制備不同含水率試樣時(shí)，先將水加入試樣中，然后用塑料袋鋪好，密封24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 不同含水率試樣所需水的質(zhì)量

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)試樣進(jìn)行大型三軸剪切試驗(yàn)，采用電液伺服機(jī)制保持圍壓的穩(wěn)定。在試驗(yàn)過(guò)程中，圍壓分別采用100，200，300 kPa對(duì)試樣進(jìn)行剪切壓縮，以偏應(yīng)力不再劇烈改變或者軸向應(yīng)變達(dá)到20%作為控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 不同相對(duì)密實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)剪切試驗(yàn)，得到不同相對(duì)密實(shí)度試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖2?？芍?，相對(duì)密實(shí)度為0.56 和0.82 的試樣在圍壓100～300 kPa 下應(yīng)力應(yīng)變曲線無(wú)明顯的峰值點(diǎn)；相對(duì)密實(shí)度為0.67 和0.95 的試樣在圍壓100～300 kPa下的應(yīng)力應(yīng)變曲線有明顯的峰值點(diǎn)。

圖2 不同相對(duì)密實(shí)度試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

針對(duì)圖2中沒有明顯峰值點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，一般按工程經(jīng)驗(yàn)取應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為峰值強(qiáng)度。繪制不同圍壓下試樣峰值強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率與相對(duì)密實(shí)度的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 試樣峰值強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率與相對(duì)密實(shí)度的關(guān)系曲線

由圖3可知：峰值強(qiáng)度隨相對(duì)密實(shí)度的增加呈現(xiàn)先緩慢增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)；圍壓為100 kPa 時(shí)，峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨相對(duì)密實(shí)度的增加呈現(xiàn)較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大的峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率將近71%；而隨著圍壓的增大，峰值強(qiáng)度的增加趨勢(shì)不再明顯，峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率在60%左右，說(shuō)明隨著圍壓的增大，相對(duì)密度對(duì)峰值強(qiáng)度的增長(zhǎng)影響逐漸減弱。這是因?yàn)樵诟邍鷫籂顟B(tài)下試樣本身就被壓密實(shí)，孔隙率比初始試樣要更小。

以圍壓作為最小主應(yīng)力，峰值強(qiáng)度與圍壓的和作為最大主應(yīng)力，可以繪制出摩爾應(yīng)力圓。若采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，假設(shè)其強(qiáng)度包絡(luò)線為一直線，根據(jù)最小二乘法可以擬合出一條公切線，則可以得到不同密實(shí)度情況下試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角，見表3。可知，相對(duì)密實(shí)度從0.56 變化至0.95 時(shí)，黏聚力的變化范圍為52.12～114.36 kPa，內(nèi)摩擦角的變化范圍為 39.23°～47.57°。這說(shuō)明隨著試樣越來(lái)越密實(shí)，冰磧層顆粒間接觸緊密，咬合力增加，難以破壞，其黏聚力有顯著的增加；而內(nèi)摩擦角除在相對(duì)密實(shí)度為0.56 時(shí)較小以外，其余相對(duì)密實(shí)度時(shí)內(nèi)摩擦角的變化均不大，穩(wěn)定在45°～48°。說(shuō)明相對(duì)密實(shí)度對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響有限，當(dāng)相對(duì)密實(shí)度超過(guò)0.67 時(shí)，其對(duì)內(nèi)摩擦角的影響會(huì)逐漸減弱。

表3 不同相對(duì)密實(shí)度試樣基本力學(xué)指標(biāo)

2.2 不同含水率試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)剪切試驗(yàn)，得到不同含水率下試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，見圖4?？芍?，4 種含水率的試樣在圍壓100～300 kPa下應(yīng)力應(yīng)變曲線無(wú)明顯的峰值點(diǎn)。

圖4 不同含水率時(shí)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

取圖4中應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為峰值強(qiáng)度。繪制不同圍壓下試樣峰值強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率與含水率的關(guān)系曲線，見圖5。由圖5（a）可知，峰值強(qiáng)度隨含水率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，含水率達(dá)到飽和含水率時(shí)峰值強(qiáng)度急劇減小。由圖5（b）可知，不同含水率下圍壓對(duì)試樣峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響較小。其主要原因是含水率改變了土顆粒之間的黏結(jié)強(qiáng)度，而圍壓的作用使試樣更加密實(shí)。

圖5 試樣峰值強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率與含水率的關(guān)系曲線

根據(jù)得到的峰值強(qiáng)度，繪制不同含水率下的摩爾應(yīng)力圓，從而得到不同含水率下試樣的黏聚力及內(nèi)摩擦角，見表4?？芍孩俸蕪?.30%變化至10.39%時(shí)，黏聚力的變化范圍為15.51～69.70 kPa，內(nèi)摩擦角的變化范圍為34.34°～43.02°。試樣的黏聚力隨著含水率的增加呈現(xiàn)先緩慢增加而后急劇減小的趨勢(shì)，原因是試樣中水的含量接近飽和含水率時(shí)，試樣中顆粒與顆粒之間的黏結(jié)減弱，其黏聚力會(huì)急劇衰減。②試樣的內(nèi)摩擦角隨含水率的增加整體呈先緩慢增加而后降低的趨勢(shì)，在含水率為5.07%～7.84%時(shí)，內(nèi)摩擦角減弱的幅度較少，曲線基本趨于平緩。原因是含水率增大，結(jié)合水膜厚度增加，黏結(jié)力逐漸減弱，顆粒間摩擦力的減小，致使內(nèi)摩擦角隨含水率的增大而降低，但變化幅度較小。

表4 不同含水率試樣基本力學(xué)指標(biāo)

3 結(jié)論

1）相對(duì)密實(shí)度、含水率對(duì)冰磧層的峰值強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角均有影響。含水率對(duì)冰磧層的影響程度要大于相對(duì)密實(shí)度，因此在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)注意冰磧層的含水率。

2）冰磧層的峰值強(qiáng)度隨相對(duì)密實(shí)度的增加呈現(xiàn)先緩慢增加后逐漸平穩(wěn)的變化趨勢(shì)；黏聚力隨相對(duì)密實(shí)度的增加先減小后增大，總體呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)；內(nèi)摩擦角與相對(duì)密實(shí)度無(wú)明顯的變化關(guān)系。

3）冰磧層的峰值強(qiáng)度隨含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，黏聚力隨含水率的增加呈現(xiàn)先緩慢增加后急劇減小的變化趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈現(xiàn)先緩慢增加后降低的變化趨勢(shì)。其飽和含水率下的黏聚力為天然狀態(tài)下黏聚力的23%，說(shuō)明水量的增加減弱了顆粒間的黏聚作用。

4）當(dāng)相對(duì)密實(shí)度較大時(shí)，圍壓對(duì)峰值強(qiáng)度的增加不再明顯。不同含水率時(shí)，圍壓對(duì)冰磧層峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)率的影響較小，主要是顆粒間的黏聚強(qiáng)度對(duì)峰值強(qiáng)度有明顯影響。