浸水濕陷黃土隧道加固地基受力與變形性狀數(shù)值研究

王武剛,胡昆昆,李又云,劉路路,3

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511466;2.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064;3.東南大學(xué) 巖土工程研究所,江蘇 南京 211189)

通過調(diào)查已建黃土隧道的運(yùn)營情況,發(fā)現(xiàn)黃土隧道病害現(xiàn)象普遍,尤其當(dāng)外部水環(huán)境引起隧道基底圍巖含水率變化時(shí),易造成拱腳和墻腳失穩(wěn),甚至坍塌[1]。因此,工程技術(shù)研究人員逐漸重視濕陷黃土地層隧道基底加固問題。雖然我國在濕陷黃土地基處理領(lǐng)域有比較成熟的施工與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),但對(duì)濕陷黃土隧道軟弱地基加固處理的理論和實(shí)踐還處在探索階段,先前道路建設(shè)等級(jí)較低,缺乏對(duì)隧道底部變形的認(rèn)識(shí)[2-3]。數(shù)值研究作為公路隧道工程中的常用研究手段,能夠系統(tǒng)模擬隧道開挖中的應(yīng)力和位移場,而室內(nèi)模型試驗(yàn)由于儀器精度與數(shù)量限制,只能測量隧道特定斷面[4]。

目前,相關(guān)學(xué)者針對(duì)黃土隧道基底受力特性開展了一系列研究,包括黃土隧道基底濕陷變形評(píng)價(jià)[5]、黃土隧道基底樁基加固評(píng)價(jià)[6]、土質(zhì)淺埋隧道基底變形計(jì)算公式[7]、隧道地基的工后沉降數(shù)值分析[8]、隧底仰拱以及邊墻下部塑性變形數(shù)值研究[9],上述研究缺少明確的關(guān)于基底受力與變形方面的理論支撐,并且尚未有提及隧道基底受力與變形規(guī)律的研究報(bào)道。當(dāng)前設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)隧道基底方案時(shí),多參考工程經(jīng)驗(yàn),在其他軟巖隧道基底加固設(shè)計(jì)時(shí),多參考建筑工程地基處理技術(shù)手段,但缺乏理論依據(jù)。在隧道運(yùn)營過程中,隨著外部水文條件的變化,隧道基底浸水,基底圍巖軟化,導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生整體均勻或不均勻沉降,當(dāng)不均勻沉降達(dá)到一定程度后會(huì)誘發(fā)隧道支護(hù)產(chǎn)生病害[10-12]。

隧道基底圍巖壓力與建筑工程地基接觸壓力荷載分布不同,變形模式也有所區(qū)別,不能直接借鑒建筑地基加固處理方法。雖然針對(duì)濕陷黃土基底加固已采取了各種方法,但目前缺乏隧道受力和變形性狀的研究。因此,本文依托室內(nèi)大型物理模型,通過數(shù)值方法系統(tǒng)研究了基底浸水和未浸水工況下黃土隧道的基底受力與變形性狀,研究成果對(duì)濕陷黃土隧道的設(shè)計(jì)與施工具有重要的指導(dǎo)作用。

1 模型建立

1.1 工程概況

項(xiàng)目依托蘭州付家窯隧道,總長802 m,研究對(duì)象選取20 m淺埋段。付家窯隧道濕陷黃土發(fā)育明顯,厚度較大,隧道基底全段采用高壓旋噴樁加固。

1.2 物理模型

模型幾何尺寸比(C)為40,保持主要影響因素滿足相似條件[13-16]。圍巖的容重(γ)為1.52 kN·m3,彈性模量(E)為1.3 MPa,泊松比(μ)為0.3;模筑混凝土及噴射混凝土的彈性模量(E)均為3 300 MPa,泊松比(μ)為0.38,厚度(h)為15 mm;旋噴樁的彈性模量(E)為260 MPa，泊松比(μ)為0.22。

黃土隧道室內(nèi)模型試驗(yàn)分為天然基底組、高壓旋噴樁加固基底組,工況包括天然狀態(tài)、浸水至飽和狀態(tài)。隧道模具為有機(jī)玻璃。圖1為基底土體應(yīng)力傳感器布設(shè)圖,測點(diǎn)間隔距離為150 mm,埋設(shè)在距洞口500 mm的斷面處。圖2為基底土體位移傳感器布設(shè)圖,基底部位每間隔300 mm布設(shè)一層位移計(jì),埋設(shè)在距洞口300 mm的斷面處。

圖1 基底土體應(yīng)力傳感器布設(shè)(mm)

圖2 基底土體位移測傳感器布設(shè)(mm)

1.3 數(shù)值模型

本文采用MIDAS GTS數(shù)值軟件,填筑圍巖采用摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則,初期支護(hù)與樁體分別選用殼單元與實(shí)體單元,樁-土耦合選用Goodman接觸。Goodman接觸單元是4節(jié)點(diǎn)8自由度的無厚度單元,該單元可以模擬兩個(gè)面的切向行為和法向行為,即在接觸面的切向和法向兩個(gè)方向上假設(shè)有無數(shù)個(gè)彈簧,并認(rèn)為切向和法向的受力和位移是相互獨(dú)立的,即法向的應(yīng)力僅與法向的相對(duì)位移有關(guān),切向的應(yīng)力僅與切向的相對(duì)位移有關(guān)。表1為材料相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

建立與物理模型尺寸大小、開挖方案等相同的有限元模型(圖3)。樁體與襯砌結(jié)構(gòu)分別采用實(shí)體單元與板單元。

圖3 有限元數(shù)值模型

2 結(jié)果與分析

2.1 無樁工況下隧道基底應(yīng)力分析

圖4和5分別為天然基底在不同工況下的豎直和水平方向的隧道基底應(yīng)力云圖。圖6為不同深度下的天然基底應(yīng)力變化規(guī)律。由圖4—6可以看出:黃土隧道周邊應(yīng)力沿中線呈軸對(duì)稱分布,且距仰拱中線的距離越小,隧道基底的圍巖應(yīng)力越小?；讎鷰r在隧道開挖后的最小應(yīng)力位于仰拱中間區(qū)域,圍巖最大豎直應(yīng)力位于墻腳,而最大水平應(yīng)力位于邊墻[17-18]。基底應(yīng)力在浸水過后的數(shù)值均增大,但分布規(guī)律與浸水前保持一致。

圖4 天然基底豎直向應(yīng)力云圖

圖5 天然基底水平應(yīng)力云圖

圖6 不同深度下天然基底應(yīng)力變化曲線

提取與物理模型對(duì)應(yīng)測點(diǎn)處(A、B、C、A′、B′和C′測線)的應(yīng)力,分析基底應(yīng)力變化。圖7為基底各測線應(yīng)力隨開挖和浸水變化的曲線。由圖7可以看出:隨著開挖的進(jìn)行,基底各測點(diǎn)應(yīng)力呈現(xiàn)出整體減小趨勢,而浸水作用增大其圍巖應(yīng)力,A和B測線各測點(diǎn)徑向應(yīng)力變化范圍(約45 cm)寬于切向應(yīng)力變化范圍(約15 cm)。圖8為隧道模型試驗(yàn)測點(diǎn)徑向與切向應(yīng)力變化曲線。由圖8可以看出:在基底浸水前,除與基底接觸較近的測點(diǎn),其余測點(diǎn)處的切向和徑向應(yīng)力均隨隧道開挖變化幅度較小或呈現(xiàn)緩慢降低趨勢。對(duì)比圖6中土應(yīng)力變化趨勢,數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果大體一致,能夠驗(yàn)證物理模型試驗(yàn)的可靠性。

圖7 天然基底各測線土體應(yīng)力變化曲線

圖8 隧道模型試驗(yàn)測點(diǎn)土體應(yīng)力變化曲線

2.2 無樁工況下隧道基底變形分析

圖9為天然基底在不同工況下的豎向位移云圖。由圖9可以看出:隧道基底豎向位移沿仰拱中線呈軸對(duì)稱分布。每間隔7 cm沿基底選擇測點(diǎn),提取并分析基底豎向位移(圖10)。由圖10可以看出:隧道基底土體變形規(guī)律與應(yīng)力分布規(guī)律相反,呈倒V形分布,基底仰拱中間區(qū)域位移最大,墻腳區(qū)域位移最小;且沿深度方向,位移不斷減小。

圖9 天然基底豎向位移云圖

圖10 天然基底各測點(diǎn)豎向位移

表2為浸水前后隧道天然基底豎向位移與沉降差。由表2可知:沿仰拱中線,隧道基底豎向位移呈軸對(duì)稱分布,仰拱中線位置成為基底豎向最大位移區(qū)域,且沿隧道基底仰拱中線到墻腳位置的豎向位移逐漸減小,但其沉降差卻不斷增大。浸水完成后,基底位移方向發(fā)生改變,由回彈趨勢向沉降發(fā)展[19-20]。此外,位移變化量與基底沉降差逐漸增大,這對(duì)仰拱的均勻受力變形產(chǎn)生不利影響。

表2 浸水前后天然基底豎向位移與沉降差

2.3 有樁工況下隧道基底應(yīng)力分析

圖11和12分別為旋噴樁復(fù)合基底在不同工況下的豎直和水平應(yīng)力云圖。圖13為基底各測點(diǎn)應(yīng)力分布規(guī)律。由圖11—13可以看出:隧道基底及周邊應(yīng)力場沿仰拱中線成軸對(duì)稱分布,仰拱中線為隧底圍巖應(yīng)力最小區(qū)域,而最大區(qū)域出現(xiàn)于兩側(cè)墻腳,浸水后基底圍巖應(yīng)力增大,與天然基底浸水工況呈現(xiàn)相同規(guī)律。

圖11 旋噴樁復(fù)合基底豎直應(yīng)力云圖

圖12 旋噴樁復(fù)合基底水平應(yīng)力云圖

圖13 旋噴樁復(fù)合基底應(yīng)力與位置分布曲線

由于隧道基底應(yīng)力場沿仰拱中線呈軸對(duì)稱分布,因此可選一側(cè)為研究對(duì)象,并提取與物理模型對(duì)應(yīng)測點(diǎn)處(A、B、C、A′、B′和C′測線)的應(yīng)力,圖14為旋噴樁復(fù)合基底土體應(yīng)力變化曲線。由圖14可以看出:由于開挖卸載與基底應(yīng)力釋放,導(dǎo)致測點(diǎn)開挖應(yīng)力呈減小趨勢。浸水造成土體容重增大與土體軟化,土體應(yīng)力隨之增大；此外,由于較深測點(diǎn)受開挖擾動(dòng),所以較深測點(diǎn)應(yīng)力釋放量越小。同一深度下的測點(diǎn)距仰拱中線越近,其應(yīng)力釋放量越大,A′測線應(yīng)力釋放量(4.0 kPa)高于B′測線應(yīng)力釋放量(3.8 kPa),而C′測線應(yīng)力釋放量小于1 kPa。當(dāng)基底浸水完成后,越深測點(diǎn)的土體應(yīng)力增量越大。

圖14 旋噴樁復(fù)合基底土體應(yīng)力變化曲線

2.3.1 樁身受力分析

圖15和16為樁身水平與豎直應(yīng)力云圖。由圖15和16可以看出:樁身應(yīng)力沿仰拱中線同樣呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布,施工完成的樁身壓應(yīng)力表現(xiàn)為負(fù)值。仰拱中間樁頂處為樁身應(yīng)力最小區(qū)域,兩側(cè)墻腳樁頂處為樁身應(yīng)力最大位置。中間樁體的樁身受力較小,且沿深度方向的應(yīng)力不斷增大,但是墻腳處樁身應(yīng)力分布規(guī)律恰好相反。此外,與仰拱距離越近,樁軸向同一截面的樁身應(yīng)力分布越均勻。

圖15 樁身水平應(yīng)力云圖

圖16 樁身豎直應(yīng)力云圖

為研究樁端和樁頂接觸應(yīng)力隨開挖過程的演化規(guī)律,提取樁頂和樁端軸線方向應(yīng)力,結(jié)果如圖17所示。由圖17可以看出:樁端和樁頂應(yīng)力隨開挖步驟的發(fā)展呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢,隧道施工完成后,樁頂和樁端受力較大的樁身為C′樁,分別達(dá)到72.3和60.2 kPa;B′樁次之,A′樁受力最小,樁頂和樁端受力分別為11.2和33.2 kPa。浸水過后的樁身受力規(guī)律與浸水前類似,樁身受力最大位置為墻腳,受力最小位置為仰拱中線處,樁身受力從墻腳到基底仰拱中間呈逐漸減小趨勢。

圖17 樁頂和樁端接觸應(yīng)力演化曲線

2.3.2 樁間土應(yīng)力分析

以間隔7.5 cm提取樁間土應(yīng)力來分析其變化趨勢，結(jié)果如圖18和19所示。由圖18和19可以看出:樁間接觸應(yīng)力呈現(xiàn)出與樁頂接觸應(yīng)力類似的變化規(guī)律,即基底接觸應(yīng)力隨開挖程度的變化逐漸減小,而浸水后基底接觸應(yīng)力增大。然而樁間接觸應(yīng)力較小,說明樁體在復(fù)合地基中承擔(dān)大部分荷載。在基底浸水前,開挖前期,A與B測線樁間土應(yīng)力隨著開挖深度的增大逐漸減小,這主要是因?yàn)殡S著上部荷載的減少,樁端部位固定,樁頂受圍巖的擠壓作用逐漸明顯,導(dǎo)致樁體上部樁間土應(yīng)力較大,當(dāng)開挖深度較大時(shí),樁頂荷載較小,而小荷載下的A與B測線樁間土應(yīng)力小,C測線在斜測樁擠壓與小荷載雙重作用下,樁間土應(yīng)力略大。對(duì)比A、B與C測線,在開挖前期,上部荷載較大;在開挖后期,上部荷載較小,C測線由于樁體傾斜對(duì)土體的擠壓作用愈加明顯,所以C測線樁間土應(yīng)力最大,B測線樁間土應(yīng)力次之,A測線樁間土應(yīng)力最小。

圖18 樁間接觸應(yīng)力

2.3.3 樁-土應(yīng)力比

圖20為基底樁-土豎直應(yīng)力云圖,由該圖可直觀分析復(fù)合地基樁-土應(yīng)力分擔(dān)情況。由圖20可以看出:大部分外部荷載由復(fù)合地基中旋噴樁承擔(dān),而樁間土分擔(dān)應(yīng)力較小,這主要是因?yàn)樾龂姌稄?qiáng)度較大,抗變形能力較強(qiáng),然而地基土為強(qiáng)度薄弱介質(zhì),因此,當(dāng)處于樁-土協(xié)調(diào)變形階段時(shí),強(qiáng)度較大介質(zhì)(旋噴樁)將作為主要承載體去承受結(jié)構(gòu)整體荷載。

圖20 基底樁-土豎直應(yīng)力云圖

表3為同一深度處的樁-土應(yīng)力比。由表3可以看出:復(fù)合地基的樁-土應(yīng)力比范圍為4～8,且沿豎向樁-土應(yīng)力比不斷減小。

圖19 各測線樁間土應(yīng)力隨開挖浸水變化曲線

表3 樁-土應(yīng)力比

2.4 有樁工況下隧道基底變形分析

圖21為旋噴樁復(fù)合基底豎直應(yīng)變云圖。由圖21可知:在隧道基底地浸水前后,豎向位移沿仰拱中線均呈軸對(duì)稱分布,隧道開挖完成后,基底的應(yīng)力釋放引起土體產(chǎn)生回彈變形,并且浸水后黃土發(fā)生軟化,增大了土體應(yīng)力[21],導(dǎo)致隧道基底沉陷,出現(xiàn)整體下沉趨勢,但土體應(yīng)力較小。表4為浸水前后復(fù)合基底的豎向位移和沉降差。為方便分析基底豎向位移,間隔7 cm提取位移數(shù)據(jù),結(jié)果如圖22所示。由表4和圖22可以看出:有樁工況下的隧道基底變形與無樁工況的規(guī)律基本一致,基底豎向最大位移位于仰拱中間;浸水完成后的基底位移方向發(fā)生改變,即由回彈轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?隧道基底位移變化量與基底沉降差同時(shí)增大,影響均勻受力與變形;此外,與無樁工況相比,基底加固的工后位移與沉降差均減小,更利于結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營。

圖21 旋噴樁復(fù)合基底豎直應(yīng)變云圖

表4 浸水前后旋噴樁復(fù)合基底豎向位移和沉降差

圖22 旋噴樁復(fù)合基底不同位置處豎向位移

3 結(jié)論

1)在黃土隧道基底加固前后,土體受力與變形規(guī)律基本保持一致,仰拱中線為基底最小應(yīng)力處,最大應(yīng)力位于墻腳。

2)黃土隧道復(fù)合地基中樁體承擔(dān)大部分荷載,樁-土應(yīng)力比范圍為4～8。

3)隧道基底加固后的工后位移與沉降差均減小,基底加固能有效控制基底浸水工況下襯砌結(jié)構(gòu)的整體沉降。