含水率對(duì)古土壤隧道圍巖膨脹性的影響

常帥斌

（中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司，西安 710021）

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，越來(lái)越多的不良地質(zhì)問(wèn)題有待解決，其中圍巖膨脹變形成為困擾鐵路隧道建設(shè)的重大工程問(wèn)題。膨脹性土顆粒是一種具有高分散性且以親水性黏土礦物為主要成分的礦物顆粒，對(duì)于所在環(huán)境的干濕變化敏感度極高［1-3］。在我國(guó)北方黃土高原黃土-古土壤序列中，古土壤的礦物成分、力學(xué)性質(zhì)及其他物理力學(xué)性能指標(biāo)與膨脹土有相似的地方。古土壤中含有黏粒，導(dǎo)致古土壤有弱膨脹性［4］。古土壤由于其特殊的礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)，造成了其特殊的工程特性，具有和膨脹土類似的脹縮性能。

楊秀竹等［5］對(duì)某淺埋偏壓膨脹土隧道的開(kāi)挖進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對(duì)比分析加固前后隧道圍巖受力和變形情況。李樹(shù)忱等［6］采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)膨脹性土質(zhì)隧道圍巖進(jìn)行了亞級(jí)細(xì)分。鄧興安等［7］模擬了上莊1 號(hào)隧道施工過(guò)程，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同膨脹率下隧道圍巖膨脹性的變化。曾仲毅等［8］將室內(nèi)試驗(yàn)及三維數(shù)值模擬相結(jié)合，運(yùn)用FLAC 3D 中的熱-力耦合模塊進(jìn)行計(jì)算，得出小河溝膨脹土隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同含水率下的變化規(guī)律。鄭俊杰等［9］以淺埋膨脹土隧道為背景，模擬降雨入滲條件，研究了膨脹土的非飽和滲流與膨脹效應(yīng)對(duì)圍巖變形及結(jié)構(gòu)受力的影響。馬新民［10］將室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合，研究了銀西鐵路慶陽(yáng)隧道紅黏土圍巖膨脹性能及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為。

銀西鐵路黃土源區(qū)早勝3號(hào)隧道經(jīng)過(guò)甘肅省慶陽(yáng)市寧縣平子鎮(zhèn)、良平鄉(xiāng)及早勝鎮(zhèn)，全長(zhǎng)11.172 km，為雙線單洞隧道，是銀西鐵路控制性工程。早勝3 號(hào)隧道作為國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)古土壤隧道，圍巖特殊，工程特性不明確，工程案例較少。隧道洞身揭示的第三系古土壤具有膨脹性，圍巖膨脹變形對(duì)施工期圍巖穩(wěn)定及運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生巨大影響。本文以該隧道為研究對(duì)象，測(cè)試古土壤物理力學(xué)性能、礦物成分與微觀組構(gòu)，分析含水率變化對(duì)古土壤隧道圍巖膨脹性的影響，揭示古土壤膨脹的深層原因及隧道圍巖應(yīng)力位移變化規(guī)律，為類似隧道工程設(shè)計(jì)、施工及后期運(yùn)營(yíng)安全提供理論基礎(chǔ)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 天然狀態(tài)下古土壤物理力學(xué)性能測(cè)試

在對(duì)早勝3號(hào)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查的基礎(chǔ)上，沿隧道縱向每隔250 m 在隧道（包含斜井）開(kāi)挖斷面（圖1）處取1組古土壤試樣，共取41組。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取到的41 組土樣采用環(huán)刀法、灼燒法、液塑限聯(lián)合測(cè)定法分別測(cè)試古土壤密度、含水率、液塑限。測(cè)試結(jié)果取平均值，見(jiàn)表1。

圖1 隧道開(kāi)挖斷面

表1 古土壤物理力學(xué)參數(shù)

由表1 可知，早勝3 號(hào)隧道古土壤含水率適中，干密度較大，塑性指數(shù)較高，液性指數(shù)小于0。這表明該土壤土顆粒較細(xì)，土體較為堅(jiān)硬，具備一定承載能力。

1.2 古土壤礦物成分分析

取古土壤試樣4 個(gè)，放入烘箱中，在100 ℃的高溫下烘干2 h，然后放入碎石機(jī)粉碎，將粉碎后的顆粒放入研缽中繼續(xù)研磨，磨碎后用200目的篩子進(jìn)行篩分。對(duì)研磨好的土樣做X 射線衍射，將試驗(yàn)得到的各種礦物峰譜圖與標(biāo)準(zhǔn)礦物峰譜圖進(jìn)行對(duì)比，用JEDE 軟件分析，通過(guò)定量試驗(yàn)得到各種礦物成分及含量，見(jiàn)表2。

表2 古土壤主要礦物含量

由表2可知，古土壤試樣中黏土礦物總量占28%，主要成分有伊利石、綠泥石以及伊蒙混層；古土壤試樣中剩余的72%為粒狀礦物，分別由石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和方解石構(gòu)成。由此可見(jiàn)，古土壤中黏土礦物含量不到1∕3，其中伊利石含量最高，蒙脫石只占少部分。

1.3 古土壤的微觀組構(gòu)分析

基本單元體是土體微觀結(jié)構(gòu)的最基本要素，是由許多微小顆粒在各種地質(zhì)環(huán)境下聚集而成的能夠發(fā)揮獨(dú)立作用的單元體。利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行古土壤微觀組構(gòu)分析，見(jiàn)圖2。

早勝3 號(hào)隧道古土壤的基本單元體分類與特征如下：

圖2 古土壤基本單元體

1）凝聚體單元。古土壤中主要的基本單元為凝聚體，見(jiàn)圖2（a）。凝聚體內(nèi)部主要為石英、方解石、黏土礦物等，顆粒大小不等，由鐵錳質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)構(gòu)成古土壤基本骨架。這種基本單元不具有膨脹性且相互排列緊密，一定程度上決定了古土壤的弱膨脹性和強(qiáng)抗剪性。

2）碎屑顆粒單元。碎屑顆粒以較小的單元體形式分布于土體中，通常散亂分布，無(wú)明顯規(guī)律可循，見(jiàn)圖2（b）。方解石礦物晶體生長(zhǎng)在土體孔隙中，其對(duì)于土顆粒骨架起到一定的支撐作用，使得古土壤在宏觀上表現(xiàn)出硬塑、壓縮性小等特征。

3）疊聚體單元。疊聚體單元填充在粒狀聚集體的孔隙中，見(jiàn)圖2（c）。主要由伊蒙混層和伊利石組成，呈卷曲的片狀、蜂窩狀或半蜂窩狀。疊聚體單元具有較大的膨脹潛勢(shì)，是引起古土壤膨脹的主要因素。

4）連接體單元。連接體單元分布于其他單元的孔隙中，主要為絲縷狀的伊利石單體，通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)與方解石接觸，見(jiàn)圖2（d）。這些連接體減小了孔隙的有效透水孔徑，使土體的透水性降低，在一定程度上限制了土體的膨脹。

根據(jù)以上分析，古土壤微觀結(jié)構(gòu)中基本單元體的特征是以石英、方解石、黏土礦物組成的凝聚體單元構(gòu)成土體的基本骨架，凝聚體單元之間連接緊密。凝聚體單元之間的孔隙中填充有方解石組成的碎屑顆粒單元，對(duì)骨架起支撐作用，增加土體的強(qiáng)度?？紫吨羞€填充有伊利石、伊蒙混層組成的疊聚體單元以及絲縷狀伊利石組成的連接體單元，使古土壤具有脹縮的性質(zhì)。

1.4 含水率對(duì)古土壤膨脹性能的影響試驗(yàn)

分別測(cè)試含水率對(duì)原狀、重塑古土壤膨脹性能的影響。含水率采用灼燒法測(cè)定，膨脹率使用膨脹儀測(cè)定，膨脹力采用荷載平衡法利用WG?1B 型固結(jié)儀測(cè)定。

1）原狀古土壤膨脹性

把從隧道同一位置取回的原狀古土壤制作為環(huán)刀樣，分為5組，每組9個(gè)。其中1組密封保存，確保含水率不變，其余4 組放置20 d 使其自然風(fēng)干再測(cè)定含水率。設(shè)置含水率增量為2%，以天然含水率為中心設(shè)置含水率梯度。按設(shè)計(jì)含水率計(jì)算加水量，滴水后用保鮮膜密封靜置24 h，使水分均勻擴(kuò)散。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了原狀古土壤試樣膨脹力P與含水率ω0的關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 原狀古土壤試樣膨脹力P與含水率ω0的關(guān)系曲線

由圖3 可知，膨脹力與含水率呈指數(shù)關(guān)系。土樣含水率低于19%時(shí)膨脹力較大，曲線斜率較大，含水率變化對(duì)膨脹力的影響顯著。隨著含水率增加，曲線斜率逐漸減小，含水率大于23%后，曲線趨于水平。這是因?yàn)?，在制備特定含水率試樣時(shí)，加水導(dǎo)致部分膨脹力提前釋放，試驗(yàn)時(shí)再次浸泡試樣至變形穩(wěn)定測(cè)得的膨脹力為該含水率下的剩余膨脹力。在土樣制備過(guò)程中釋放的膨脹力隨著含水率的增加而增加。較高含水率時(shí)曲線趨于穩(wěn)定且膨脹力值較小，說(shuō)明此時(shí)古土壤膨脹力近于完全釋放，不再具備遇水膨脹特性。

2）重塑古土壤膨脹性

原狀古土壤經(jīng)碾壓風(fēng)干后過(guò)2 mm 篩，測(cè)定含水率。根據(jù)目標(biāo)含水率計(jì)算加水量，噴灑水后攪拌，密封靜置24 h，使水分均勻擴(kuò)散。利用靜壓法制備重塑古土壤環(huán)刀樣，密度與原狀古土壤保持一致。每組3個(gè)，共15 個(gè)。試樣制備完成后測(cè)定含水率，實(shí)測(cè)初始含水率為17%，19%，21%，23%，25%。重塑古土壤試樣膨脹力P'與含水率ω'0關(guān)系曲線見(jiàn)圖4?？芍厮芄磐寥涝嚇优蛎浟﹄S含水率增加而減小，但該曲線相比于原狀古土壤試樣更緩和，說(shuō)明重塑古土壤試樣膨脹力對(duì)含水率變化的敏感程度減弱。配置特定含水率重塑古土壤試樣時(shí)，先噴灑水密封靜置24 h 后再制作環(huán)刀樣，水與土顆粒之間充分接觸且分布較均勻，有利于膨脹力釋放。同時(shí)重塑過(guò)程又改變了原狀古土壤的結(jié)構(gòu)以及孔隙分布，土體受到外力擾動(dòng)之后亦會(huì)產(chǎn)生微裂紋，使閉口裂隙變?yōu)殚_(kāi)口裂縫，水分與土顆粒間的接觸更充分，宏觀上表現(xiàn)為擾動(dòng)土膨脹力大幅度增長(zhǎng)，在相同含水率時(shí)重塑古土壤的膨脹力遠(yuǎn)高于原狀古土壤。最大膨脹力為253 kPa，為原狀古土壤最大膨脹力的4倍左右。

圖4 重塑古土壤試樣膨脹力P'與初始含水率ω'0的關(guān)系曲線

實(shí)際工程中隧道開(kāi)挖之前，土層在初始含水率狀態(tài)已有部分膨脹力釋放，受外力擾動(dòng)后其含水率發(fā)生變化，此時(shí)剩余膨脹力釋放作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)。該狀況與試驗(yàn)古土壤試樣狀態(tài)類似，能在一定程度上反映膨脹力與含水率的關(guān)系。

2 仿真分析

2.1 計(jì)算模型

基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地勘報(bào)告及設(shè)計(jì)圖紙，按隧道設(shè)計(jì)斷面形狀及尺寸建立計(jì)算模型。隧道高12.6 m，洞徑14.8 m，由圣維南原理可知隧道兩側(cè)取洞徑3～5 倍為宜，最終尺寸確定為100 m×100 m×4.8 m，如圖5 所示。所有土體單元選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土部分選用彈塑性模型，拱架與錨桿選用彈性模型。依照現(xiàn)場(chǎng)施工工序并結(jié)合數(shù)值模擬的計(jì)算特點(diǎn)，循環(huán)進(jìn)尺確定為1.6 m。圍巖采用實(shí)體單元，鋼拱架和鎖腳錨管為梁?jiǎn)卧?/p>

圖5 計(jì)算模型

從拱頂?shù)窖龉瓣P(guān)鍵部位布置測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)圍巖應(yīng)力及變形情況，如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

不同含水率下古土壤隧道圍巖應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。

圖7 不同含水率下古土壤隧道圍巖應(yīng)力云圖（單位：kPa）

不同含水率下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 不同含水率下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力

由圖7 和表3 可知：含水率在17%，19%，21%和23%時(shí)邊墻均出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。含水率23%時(shí)圍巖應(yīng)力與含水率17%時(shí)相比變化不大。隨著古土壤含水率的增大，拱頂、拱肩和拱腳應(yīng)力先增大后減小然后再增大，邊墻和仰拱先減小再增大。含水率17%，19%，21%，23%時(shí)圍巖所受最大應(yīng)力分別為1.289，1.227，1.213，1.237 MPa，均出現(xiàn)于邊墻。

不同含水率條件下古土壤隧道圍巖位移云圖見(jiàn)圖8。不同含水率下各測(cè)點(diǎn)的位移見(jiàn)表4。可知：含水率在17%，19%，21%和23%時(shí)最大位移均出現(xiàn)在仰拱。各測(cè)點(diǎn)位移隨著古土壤含水率的增加而增大，含水率從17%增至21%拱頂?shù)綁δ_位移增幅較小，從21%增至23%時(shí)位移增幅大；含水率17%到23%仰拱位移增幅逐漸減小。含水率17%，19%，21%，23%時(shí)最大位移值均出現(xiàn)于仰拱。

圖8 不同含水率下古土壤隧道圍巖位移云圖（單位：m）

表4 各測(cè)點(diǎn)位移

3 結(jié)論

1）早勝3號(hào)隧道古土壤圍巖中伊利石、綠泥石、伊蒙混層等黏土成分占28%，石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石和方解石等粒狀礦物占72%。微觀結(jié)構(gòu)中基本單元體的特征是以石英、方解石、黏土礦物組成的凝聚體單元構(gòu)成土體的基本骨架，凝聚體單元之間連接緊密。凝聚體單元之間的孔隙中填充有方解石組成的碎屑顆粒單元，對(duì)骨架起支撐作用，增加土體的強(qiáng)度。孔隙中還填充有伊利石、伊蒙混層組成的疊聚體單元以及絲縷狀伊利石組成的連接體單元，使古土壤具有脹縮的性質(zhì)。

2）原狀古土壤的膨脹力與含水率呈指數(shù)關(guān)系。含水率低于19%時(shí)膨脹力較大，曲線斜率較大，含水率變化對(duì)膨脹力的影響顯著。隨著含水率增大，曲線斜率逐漸減小，含水率大于23%后曲線趨于穩(wěn)定且膨脹力較小。

3）重塑古土壤的膨脹力隨含水率變化曲線比原狀古土壤平緩。膨脹力對(duì)含水率變化的敏感程度減弱。同時(shí)，重塑過(guò)程改變了原狀土的結(jié)構(gòu)以及孔隙分布，使得在相同含水率下重塑古土壤的膨脹力遠(yuǎn)高于原狀古土壤，其最大膨脹力為原狀古土壤的4倍。

4）隨著古土壤地層含水率變化，隧道圍巖應(yīng)力變化不大，圍巖位移變化較大，且隨含水率的增加各部位沉降逐漸增大。

綜上所述，含水率對(duì)古土壤膨脹性能的影響明顯。在類似古土壤地層隧道設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)重視含水率的變化，防止圍巖膨脹變形影響到隧道圍巖的穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)的安全。