不同位置空洞條件下隧道的破壞模式試驗(yàn)研究

王述紅， 王鵬宇， 劉 宇， 朱寶強(qiáng)

(東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

隧道工程屬于隱蔽工程，存在較多的潛在危險(xiǎn)源.地質(zhì)雷達(dá)檢測發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌周圍多個(gè)區(qū)域均易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象[1]，空洞的存在往往造成隧道襯砌受荷載不均勻，容易出現(xiàn)襯砌變形、裂損、滲漏以及掉塊等問題，因此，研究存在空洞時(shí)隧道的破壞規(guī)律對隧道安全防護(hù)具有重要價(jià)值[2-3].

本文主要研究在Ⅳ級圍巖地質(zhì)條件下，隧道存在不同位置空洞時(shí)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力、破壞過程以及破壞順序的規(guī)律，本文的研究成果可為隧道結(jié)構(gòu)的安全評估提供依據(jù).

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型尺寸的選擇

遼寧省某隧道跨度10.8 m，高度7.6 m.水平方向隧道模型兩邊的寬度至少相當(dāng)于洞寬的2.5倍；豎直方向模型的高度至少要相當(dāng)于洞高的3倍[4].采用的幾何相似比為1∶90，得出模型隧道尺寸:跨度120 mm，高度85 mm，其中直墻高度30 mm，模型整體的尺寸是600 mm×600 mm ×100 mm.

1.2 模型材料的選擇和確定

為模擬Ⅳ級圍巖地質(zhì)條件，在試驗(yàn)的相似材料中骨料選擇河沙，膠結(jié)材料選擇石膏和水泥的混合物.石膏水泥混合物作為膠結(jié)材料保留了水泥砂漿流動性好等優(yōu)點(diǎn)，并且克服了石膏強(qiáng)度低的弱點(diǎn).對相似材料的破壞性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相似材料的破壞過程和實(shí)際地質(zhì)條件接近，都是以彈性階段為起點(diǎn)，經(jīng)過彈塑性過渡最終發(fā)生脆性破壞，符合實(shí)際需求.

1.3 配比試驗(yàn)

采用不同比例的原料混合制成70 mm的立方體試塊，每組5個(gè)，對試塊進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度、密度、泊松比、彈性模量等指標(biāo)的測量.加載梯度取為0.1 MPa，加載速度取為0.5 MPa/min，計(jì)算得出泊松比、彈性模量和極限抗壓強(qiáng)度[5-6].

(1)

(2)

εV=|εl-2εd|,

(3)

(4)

式中:εl表示隧道模型的縱向應(yīng)變；εd表示隧道模型的橫向應(yīng)變；σa,εa分別表示通過測量得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中直線段開始的應(yīng)力和應(yīng)變；σb,εb分別表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線中直線段終點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變；Pmax表示破壞荷載；F表示試件的初始截面積；εV表示體積應(yīng)變.

表1 圍巖的性質(zhì)

注：配比號中第1位數(shù)字表示砂膠比，第2，3位數(shù)字表示水泥與石膏的比例，水灰比取為1∶7.

襯砌的相似材料采用石膏，依照模型設(shè)計(jì)的要求，襯砌的厚度是80 cm(包括初襯和二襯).C25的抗壓強(qiáng)度是14～17.5 MPa，因?yàn)閹缀蜗嗨票仁?/90，所以模型的襯砌厚度為1 cm，容重相似比為1，模擬原料的強(qiáng)度要求在0.156～0.194 MPa 之間.

表2 襯砌的性質(zhì)

根據(jù)不同的配比，進(jìn)行了多組的強(qiáng)度試驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)圍巖材料的配比選擇855，襯砌材料的水膏比為1∶1時(shí)進(jìn)行相似模型試驗(yàn)具有最佳的相似度.

2 試驗(yàn)過程

2.1 模型的制作

根據(jù)隧道調(diào)研資料將空洞的尺寸與隧道的尺寸比取為1∶20，空洞范圍均為30°[7].根據(jù)不同的空洞位置做了5組模型，每組5個(gè)，模型尺寸為600 mm×600 mm×100 mm，體積0.036 m3，密度1.7 g/cm3，得出模型總質(zhì)量為61.2 kg.水灰比1∶7，所以m水=61.21/8=7.65 kg.依據(jù)855配比要求得出:m砂=47.6 kg，m膏=2.975 kg，m泥=2.975 kg.

2.2 測試內(nèi)容及測點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用了電測法測量應(yīng)變，電測法是采用應(yīng)變片和應(yīng)變儀對模型進(jìn)行測量.應(yīng)變片型號為SZ300-100AA，其電阻值為(299.3±0.3) Ω，靈敏系數(shù)為2.02±0.01，寬×長為4 mm×100 mm.應(yīng)變儀采用CM-2B型靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀[8]，測量點(diǎn)的位置如圖1所示.

圖1 測點(diǎn)布置

2.3 加載方式

本文根據(jù)現(xiàn)場測量得到地層側(cè)壓力系數(shù)λ=2.試驗(yàn)中利用千斤頂施加荷載，鋼板墊塊將集中荷載轉(zhuǎn)化為均布荷載.在千斤頂?shù)膬?nèi)部活塞前加上壓力傳感器，利用靜態(tài)應(yīng)變儀測量千斤頂?shù)膶?shí)際加載力，提高外力施加的精確度.采用立式臺架模型約束模型的底部，水平力與豎向力的大小比為2∶1.試驗(yàn)前加載預(yù)壓，從而消除隧道和襯砌之間的間隙，預(yù)壓荷載一般為試驗(yàn)荷載的1/10～1/5.采用分級加載，每級荷載保持3～5 min，記錄量測數(shù)據(jù)后，再施加下一級荷載[9].

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 無空洞模型試驗(yàn)

模型破壞如圖2所示.

圖2 拱頂無空洞模型破壞

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)模型的破壞過程為:加載初期拱頂、底板先出現(xiàn)裂紋，隨著荷載增加，右拱肩與邊墻結(jié)合處出現(xiàn)裂紋，且原裂紋加粗；試件的左側(cè)邊墻產(chǎn)生裂紋，沿模型往上方延伸，模型左右兩側(cè)的裂縫最終貫穿，造成整體破壞.無空洞模型破壞特征和破壞順序如圖3所示.

圖3 拱頂無空洞模型破壞模式

□表示隧道受到拉伸產(chǎn)生開裂；■表示隧道受壓產(chǎn)生壓潰；①，②，③，④表示隧道發(fā)生破壞的順序.(下同)

3.2 拱頂空洞模型試驗(yàn)

拱頂空洞模型破壞如圖4所示.

模型破壞過程：首先模型底部出現(xiàn)裂紋，接著空洞處的圍巖發(fā)生破壞，隨著荷載的增大，模型左側(cè)拱肩以及邊墻部位出現(xiàn)裂紋，裂紋持續(xù)增大并出現(xiàn)上下貫通的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致模型破壞.拱頂空洞模型破壞特征和破壞順序如圖5所示.

圖4 拱頂空洞模型破壞

圖5 拱頂空洞模型破壞模式

荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示，曲線的編號和圖1保持一致.3-1，3-2，3-3表示底板的荷載-應(yīng)變曲線.3-4，3-5，3-6表示拱腳的荷載-應(yīng)變曲線.3-7，3-8，3-9表示拱頂?shù)暮奢d-應(yīng)變曲線.3-10，3-11，3-12表示拱肩的荷載-應(yīng)變曲線.3-13，3-14，3-15表示邊墻的荷載-應(yīng)變曲線.

由圖6a可知底板主要受到橫向拉力，橫向變形逐漸增大.由圖6b可知拱腳受到橫向拉力和豎向壓力，荷載達(dá)到100 kN時(shí)橫向變形急劇增大.由圖6c可知拱頂受到橫向拉力和豎向壓力，破壞之前變形較小.由圖6d可知拱肩受到橫向拉力和豎向拉力，荷載小于100 kN時(shí)變形較小，荷載大于100 kN時(shí)變形急劇增大.由圖6e可知邊墻受到橫向壓力和豎向壓力，變形很明顯.綜合而言，拱頂存在空洞時(shí)邊墻的變形最顯著，需要重點(diǎn)防護(hù).

圖6 荷載-應(yīng)變曲線

3.3 拱肩空洞模型試驗(yàn)

拱肩存在空洞時(shí)模型破壞如圖7所示.

圖7 拱肩空洞模型破壞

模型破壞過程:首先模型底部和左側(cè)空洞上方的圍巖出現(xiàn)裂紋，隨后拱頂部位的襯砌斷裂.隨著荷載的增大，右側(cè)空洞外側(cè)出現(xiàn)裂紋，模型底部裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大并迅速向下延伸.最后底部裂縫和右側(cè)裂縫貫通.拱肩存在空洞時(shí)模型破壞類型和破壞順序如圖8所示.

各測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線如圖9所示.

圖9 荷載-應(yīng)變曲線

由圖9a可知底板主要受到水平拉力，荷載達(dá)到60 kN時(shí)變形迅速變大，可以判斷此時(shí)底板發(fā)生了斷裂.由圖9b可知拱腳處變形較小.由圖9c可知拱頂受到水平拉力和豎向壓力，變形比底板和拱腳處大.由圖9d可知拱肩主要受到橫向壓力，變形持續(xù)增大.由圖9e可知邊墻受到橫向壓力和豎向壓力，邊墻處發(fā)生的變形最大.當(dāng)拱肩存在空洞時(shí)，邊墻部位需要重點(diǎn)防護(hù).

3.4 邊墻空洞模型試驗(yàn)

隧道模型破壞如圖10所示.

圖10 邊墻空洞模型破壞

模型破壞過程:首先模型拱頂位置出現(xiàn)裂紋，隨后左側(cè)空洞處的圍巖產(chǎn)生裂紋并向左上方延伸，右側(cè)空洞處的圍巖產(chǎn)生裂紋并向右下方向延伸.隨著荷載的增大，裂紋迅速延伸，最終右側(cè)邊墻處的裂縫上下貫通導(dǎo)致模型破壞.邊墻存在空洞時(shí)模型破壞的類型和破壞順序如圖11所示.

圖11 邊墻空洞模型破壞模式

各測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線如圖12所示.

由圖12a可知底板主要受到水平拉力，變形較小， 當(dāng)荷載超過110 kN，變形急速增大，可以判

圖12 荷載-應(yīng)變曲線

斷此時(shí)底板發(fā)生了斷裂.由圖12b可知拱腳處受到豎向壓力，產(chǎn)生巨大的豎向變形.由圖12c可知拱頂水平方向受拉，變形逐漸增大，荷載達(dá)到120 kN時(shí)拱頂變形急速增大.由圖12d可知拱肩橫向受拉，變形較小，豎向受壓，變形很顯著，拱肩容易發(fā)生受壓破壞.由圖12e可知邊墻主要受到豎向壓力，發(fā)生的變形最大，說明邊墻存在空洞時(shí)邊墻部位最容易發(fā)生破壞.

3.5 拱腳空洞模型試驗(yàn)

拱腳空洞模型破壞如圖13所示.

圖13 拱腳空洞模型破壞

模型破壞過程:首先拱頂出現(xiàn)裂紋，之后右側(cè)和左側(cè)空洞處的圍巖均產(chǎn)生向上方延伸的裂紋.荷載繼續(xù)增大，左側(cè)空洞處的圍巖產(chǎn)生向下的裂紋，最終模型因上下裂縫貫穿而破壞.拱腳存在空洞時(shí)模型破壞類型和破壞順序如圖14所示.

圖14 拱腳空洞模型破壞模式

各測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線如圖15所示.

由圖15a可知底板橫向受壓，豎向受拉，變形較小.由圖15b可知拱腳橫向受壓，豎向受壓，荷載達(dá)到110 kN時(shí)豎向變形迅速增大，此時(shí)拱腳發(fā)生破壞.由圖15c可知拱頂橫向受拉，豎向受壓，荷載達(dá)到110 kN時(shí)橫向變形和豎向變形迅速增大，拱頂發(fā)生破壞.由圖15d可知拱肩處橫向受壓，應(yīng)變較小；豎向受壓，荷載達(dá)到70 kN時(shí)豎向變形迅速增大.由圖15e可知邊墻主要受到豎向拉力影響，荷載為80 kN時(shí)變形最大.

3.6 底板空洞模型試驗(yàn)

底板空洞模型破壞如圖16所示.

模型破壞過程:首先拱頂出現(xiàn)裂紋，隨后模型底部空洞處產(chǎn)生裂紋并向下延伸， 造成底部襯砌斷裂，然后左側(cè)拱肩處圍巖產(chǎn)生裂紋并向上延伸，該部位的襯砌受壓破壞.荷載持續(xù)增大，右側(cè)拱肩處圍巖產(chǎn)生裂紋并向下延伸，最后左右裂縫貫通模型破壞.拱底存在空洞時(shí)模型破壞類型和破壞順序如圖17所示.

圖15 荷載-應(yīng)變曲線

圖16 底板空洞模型破壞

圖17 底板空洞模型破壞模式

各測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線如圖18所示.

由圖18a可知底板主要受到豎向拉力影響，變形逐漸增大.由圖18b可知拱腳主要受到豎向壓力，荷載為20 kN時(shí)變形便達(dá)到最大值，說明拱腳處最先破壞.由圖18d可知拱肩處變形較小，荷載達(dá)到100 kN時(shí)變形迅速增大，說明此時(shí)拱肩發(fā)生破壞.由圖18e可知邊墻主要受到豎向壓力，變形逐漸增大.拱底存在空洞時(shí)模型拱頂和底板位置變形最顯著，而拱腳處最先發(fā)生破壞.

圖18 荷載-應(yīng)變曲線

綜上所述，空洞在不同的位置，會因?yàn)橐r砌沒有背部支撐，圍巖與襯砌之間的接觸存在不均勻的情況，從而在圍巖壓力下產(chǎn)生應(yīng)力集中，最后導(dǎo)致襯砌內(nèi)部受壓、外部受拉.

4 結(jié) 論

1) 空洞的存在會顯著影響隧道的穩(wěn)定性，使襯砌受力狀況不佳，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖越來越不穩(wěn)定，最終襯砌開裂.空洞位置不同，模型的受力表現(xiàn)形式不同，發(fā)生破壞的部位不同.

2) 確定了模型試驗(yàn)的合理尺寸，選取了合理的試驗(yàn)材料，以河砂、石膏、水泥為材料來模擬石英巖.通過相似材料的配合比試驗(yàn)確定了本文試驗(yàn)的材料配比，為隧道相似模型試驗(yàn)提供依據(jù).

3) 通過模型試驗(yàn)得出了存在不同位置空洞時(shí)隧道的破壞模式、破壞順序等規(guī)律.無缺陷時(shí)，隧道破壞產(chǎn)生在拱頂、底板的開裂和拱肩的壓潰.拱頂空洞隧道模型拱肩發(fā)生開裂、兩側(cè)的邊墻受壓而破壞、底板開裂；拱肩空洞隧道模型的空洞邊界和拱腳受壓破壞，底板開裂；邊墻空洞模型的邊墻襯砌出現(xiàn)壓潰及拱頂開裂；拱腳空洞模型的拱腳襯砌受壓破壞以及拱頂開裂；底部空洞模型的底板襯砌和拱肩襯砌受壓破壞、拱頂開裂.