新型泡沫混凝土緩沖層對(duì)深埋軟巖隧道卸壓規(guī)律的影響

李永靖,王 松*,張淑坤,馮佃芝

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院,遼寧 阜新 123000;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)遼寧省煤矸石資源化利用及節(jié)能建材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 阜新 123000;3.棗莊學(xué)院城市與建筑工程學(xué)院,山東 棗莊 277160)

隧道工程軟弱圍巖體由于具有顯著的流變特性和時(shí)效特征,隧道開挖后圍巖往往會(huì)發(fā)生較大的變形,易造成隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的開裂與破壞。以往許多隧道采用“強(qiáng)制硬頂”的聯(lián)合支護(hù)方式,支護(hù)結(jié)構(gòu)存在變形能力不足與協(xié)調(diào)性差等缺點(diǎn),難以適應(yīng)軟巖隧道開挖后圍巖長期變形的要求。隨著施工工藝與施工技術(shù)的不斷提高,在軟巖隧道圍巖支護(hù)體系中施作緩沖層并填充高性能材料吸收圍巖流變變形、降低二次襯砌上變形壓力的新型緩沖層讓壓支護(hù)技術(shù)已逐漸得到眾多學(xué)者和工程建設(shè)單位的認(rèn)可[1-3]。其中,泡沫混凝土由于具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、質(zhì)輕多孔、施工便捷、變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在軟巖隧道圍巖支護(hù)緩沖層填充材料卸壓減能方面的應(yīng)用較為廣泛[4-5]。

眾多研究表明,采用泡沫混凝土緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)可以很好地吸收軟巖隧道圍巖流變變形,保證隧道圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)[6-13]。陳衛(wèi)忠等[7]、Wu等[8]、Wang等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了泡沫混凝土的力學(xué)性能,并基于數(shù)值模擬方法比較了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)有、無泡沫混凝土緩沖層兩種支護(hù)方案的支護(hù)效果,結(jié)果表明泡沫混凝土緩沖層可以有效地吸收隧道圍巖的蠕變變形;柳厚祥等[10]采用控制變量法和數(shù)值模擬方法分析了高地應(yīng)力軟巖隧道泡沫混凝土緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)的卸壓效應(yīng)及影響因素;Tan等[11-12]、Bonini等[13]采用現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值分析方法研究了泡沫混凝土緩沖層在軟巖大變形條件下的力學(xué)變形特征以及對(duì)隧道圍巖變形的控制效果;田云等[2]考慮到軟巖隧道圍巖強(qiáng)度時(shí)效弱化效應(yīng),對(duì)泡沫混凝土緩沖層支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了深入研究。

以上研究主要針對(duì)泡沫混凝土緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟巖隧道長期穩(wěn)定性的影響分析,均采用單一的數(shù)值分析方法,而針對(duì)深埋軟巖隧道泡沫混凝土緩沖層變形規(guī)律的研究相對(duì)較少,關(guān)于模型試驗(yàn)分析方法更是未見報(bào)道。事實(shí)上,數(shù)值分析方法多為輔助工具,而開展大型隧道模型試驗(yàn)可以彌補(bǔ)數(shù)值模擬手段的不足,并相互驗(yàn)證。因此,本文以貴州省某在建隧道為例,基于本研究團(tuán)隊(duì)提出的新型泡沫混凝土(CNTAFC)材料容重與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和能量演變規(guī)律的分析,采用隧道模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法研究了深埋軟巖隧道CNTAFC緩沖層的變形規(guī)律,以彌補(bǔ)該方面研究的不足。

1 新型泡沫混凝土材料

由于普通泡沫混凝土材料具有孔隙率高、收縮量大和強(qiáng)度偏低等缺點(diǎn),為了滿足深埋軟巖隧道緩沖層填充材料卸壓減能等力學(xué)變形性能的要求,本研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述缺陷研制了一種新型泡沫混凝土材料——微量碳納米管(CNTs)增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土(CNTAFC)材料,并采用單軸壓縮試驗(yàn)聯(lián)合數(shù)字散斑(DSCM)技術(shù)對(duì)CNTAFC試件進(jìn)行了不同容重(300～1 200 kg/m3)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系、應(yīng)力-應(yīng)變曲線和能量演化規(guī)律研究,探究CNTAFC材料的卸壓減能性能。

本次單軸壓縮試驗(yàn)采用WDW-300型萬能試驗(yàn)機(jī),其中最大試驗(yàn)力為300 kN,可控試驗(yàn)力范圍為1.2～300 kN,控制加載速率為1 mm/min。DSCM圖像采用1630×1224像素的高清CCD相機(jī)采集,并采用Matlab軟件對(duì)DSCM圖像進(jìn)行處理。試驗(yàn)前,在制備的CNTAFC試件表面噴涂白漆,并隨機(jī)噴灑黑點(diǎn)。DSCM圖像校準(zhǔn)分辨率為0.05 mm/pixel,圖像采集頻率為2個(gè)樣本/s,CNTAFC試件加載和DSCM圖像采集測試同步進(jìn)行。本試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test device

1.1 CNTAFC材料的制備

根據(jù)本研究團(tuán)隊(duì)初步的篩選試驗(yàn),制備的CNTAFC材料密度為1.0 g/cm3,骨料采用天然河砂,粒徑小于2.36 mm,表觀密度為2.23 g/cm3。不同于普通泡沫混凝土材料的制備,CNTAFC膠凝材料選用水泥與粉煤灰的混合物。其中,水泥為阜新鷹山牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥,粒徑分布D50為20 μm,密度為3.0 g/cm3;粉煤灰細(xì)度為10.8%,密度為2.12 g/cm3,質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí),其粒度分布曲線如圖2所示。

圖2 粉煤灰粒度分布曲線Fig.2 Particle size distribution curves of fly ash

碳納米管(CNTs)直徑為3～15 nm,長度為15～30 μm,比表面積為250～270 m2/g,體積密度為0.06～0.09 g/cm3。泡沫采用鄭州市鵬翼化工建材有限公司生產(chǎn)的濃縮型高效水泥發(fā)泡劑制備,其基本參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)泡劑基本參數(shù)

在CNTAFC材料制備過程中,通過超聲分散協(xié)同機(jī)械攪拌的方法制備如表2所示的4種CNTs配比的懸浮液,并將其與水泥、粉煤灰、天然砂的混合漿液混合攪拌,倒入直徑5 cm、高10 cm的模具中,脫模后在(20±2)℃、相對(duì)濕度為95%以上條件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d,利用上述WDW-300萬能試驗(yàn)機(jī)同步DSCM圖像采集測試CNTAFC試件,并分析CNTAFC試件容重與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系、應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及能量演化規(guī)律。

表2 CNTAFC材料配比

1.2 CNTAFC材料的變形特征

1.2.1 CNTAFC試件容重對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響分析

如何控制發(fā)泡劑的用量使得泡沫混凝土既可以實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)、吸能的工作性能,又可使其抗壓強(qiáng)度達(dá)到預(yù)定目標(biāo)是亟待解決的問題,故有必要研究CNTAFC試件容重對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響。本文選取泡沫混凝土干容重為常見的300、600、900和1 200 kg/m3為研究變量,探究4種CNTs摻量下CNTAFC試件容重對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響,其中每種干容重下不同CNTs摻量的CNTAFC試件進(jìn)行3組試驗(yàn),并取其平均值,其試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同CNTs摻量下CNTAFC試件抗壓強(qiáng)度與干容 重的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves between compressive strength and dry bulk density of CNTAFC specimens with different CNTs contents

由圖3可以看出:在不同CNTs摻量下,CNTAFC試件的抗壓強(qiáng)度隨著其干容重的增加而快速增大,這是因?yàn)殡S著CNTAFC試件干容重的提升,試件內(nèi)部氣孔孔徑減小,孔隙率降低,隨之試件的密實(shí)度增大,強(qiáng)度也隨之提升;此外,不同CNTs的摻量下,CNTAFC試件的抗壓強(qiáng)度也有不同程度的提升,這是因?yàn)镃NT纖維橋聯(lián)與填充作用使得試件內(nèi)部加速水化反應(yīng),改善了CNTAFC材料的孔隙結(jié)構(gòu),但過量的CNTs(0.15%CNTs摻量)會(huì)使得CNT纖維產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象,不能充分發(fā)揮CNT纖維對(duì)材料孔隙結(jié)構(gòu)的抑制作用,從而降低了CNTAFC試件的抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 CNTAFC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

CNTAFC試件單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果,如圖4所示。

圖4 不同CNTs摻量下CNTAFC試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of CNTAFC specimens with different CNTs dosages

由圖4可以看出:在不同CNTs摻量下,CNTAFC試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷了從開始變形、破壞到承載能力最終喪失的整個(gè)過程,試件極限應(yīng)變?cè)?.040～0.049之間,均保持較高的殘余應(yīng)變,而當(dāng)普通混凝土材料具有較高殘余應(yīng)變時(shí),相應(yīng)的極限應(yīng)變約為0.030[14];當(dāng)CNTAFC試件中CNTs摻量分別為0%、0.05%、0.10%和0.15%時(shí),CNTAFC試件的峰值強(qiáng)度分別為3.014、6.761、6.953和7.211 MPa,其中0.05%、0.10%和0.15%CNTs摻量下CNTAFC試件的峰值強(qiáng)度相比于0%CNTs摻量下分別提升了124.32%、130.36%和139.25%,表明CNT纖維可以顯著增強(qiáng)普通泡沫混凝土材料的抗壓強(qiáng)度;CNTAFC試件的峰值強(qiáng)度在3.0～8.0 MPa之間,滿足軟巖隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖層填充材料強(qiáng)度的要求[15-16]。此外,CNTAFC試樣的平均峰后強(qiáng)度為3.620 MPa,大于平均峰值強(qiáng)度6.985 MPa的60%,試件峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線平均應(yīng)變范圍為0.013,占極限平均應(yīng)變0.033的30%以上,這一研究結(jié)果表明CNTAFC材料受力變形后可以提供較大的峰后抗壓強(qiáng)度,滿足軟巖隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖層填充材料卸壓變形性能的要求[15]。

1.2.3 CNTAFC試件的能量演化規(guī)律分析

對(duì)CNTAFC試件數(shù)字散斑(DSCM)圖像中最大剪應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行處理,并結(jié)合試件破壞前變形場空間演變特征,以試件最大剪應(yīng)變?cè)茍D的變形局部化帶區(qū)域?yàn)檫吔缇€,將試件變形場細(xì)分為變形局部化帶內(nèi)區(qū)域(塑性區(qū))和變形局部化帶外區(qū)域(彈性區(qū)域)[17],如圖5所示。

圖5 CNTAFC試件變形局部化帶區(qū)域劃分示意圖Fig.5 Schematic diagram of deformation localization zone division in CNTAFC specimens

通過提取不同CNTs摻量下CNTAFC試件彈性區(qū)域變形場數(shù)據(jù),研究CNTAFC試件變形局部化帶外區(qū)域的能量積累和釋放規(guī)律,其計(jì)算公式為

(1)

式中:U為CNTAFC試件的變形能密度(MPa);E為CNTAFC試件的彈性模量(MPa);ε1、ε2分別為CNTAFC試件表面的第一、第二主應(yīng)變。

不同CNTs摻量下CNTAFC試件變形能密度的演化曲線,如圖6所示。

圖6 不同CNTs摻量下CNTAFC試件變形能密度U的演化曲線Fig.6 Evolution curves of deformation energy density of CNTAFC specimens with different CNTs dosages

結(jié)合圖4和圖6進(jìn)行對(duì)比分析可知:當(dāng)CNTs摻量為0%時(shí),CNTAFC試件的最大變形能密度為0.57 MPa,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.022,為峰值應(yīng)變0.027的81.48%;當(dāng)CNTs摻量為0.05%時(shí),CNTAFC試件的最大變形能密度為1.48 MPa,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.028,為峰值應(yīng)變0.031的90.32%;當(dāng)CNTs摻量為0.10%時(shí),CNTAFC試件的最大變形能密度為1.84 MPa,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.036,為峰值應(yīng)變0.038的94.74%;當(dāng)CNTs摻量為0.15%時(shí),CNTAFC試件的最大變形能密度為2.02 MPa,對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?.031,為峰值應(yīng)變0.035的88.57%。

綜上可見,隨著CNTs的加入,CNTAFC試件能量釋放后應(yīng)變能密度演化曲線更加陡峭,具有強(qiáng)度顯著提高、變形緩慢和能量逐漸外放的特點(diǎn),滿足軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖層填充材料吸能和逐步釋壓的要求。

此外,將CNTAFC試件變形能密度下降幅度與應(yīng)變跨度之比定義為能量下降釋放率,不同CNTs摻量下CNTAFC試件能量下降釋放率,如表3所示。

表3 不同CNTs摻量下CNTAFC試件能量下降釋放率

由圖6和表3可知:當(dāng)CNTs摻量分別為0.05%、0.10%、0.15%時(shí),CNTAFC試件變形能密度相比于0%CNTs摻量時(shí)分別下降了235.48%、296.77%和525.81%,能量下降釋放率分別增加了416.13%、892.26%和978.06%,其中0.15%CNTs摻量比0.10%CNTs摻量CNTAFC試件的能量下降釋放率增加了5.14%,這表明當(dāng)CNTs摻量從0.10%提升至0.15%時(shí)CNTAFC試件能量下降釋放率并未得到較大的改善,仍然過大。從能量釋放的角度分析,CNTs摻量為0.05%的CNTAFC試件更滿足軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖層填充材料卸壓的要求。鑒于此,后續(xù)隧道模型試驗(yàn)時(shí)軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖層CNTAFC填充材料選取CNTs摻量為0.05%,即CNTAFC材料配比為:CNTs摻量0.05%,水膠比50%,骨膠比15%,粉煤灰摻量80%,泡沫用量120%。

2 隧道模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 隧道工程概況

貴州省遵義市某在建隧道全長為10.5 km,為全線高風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)控制工程。該隧道最大埋深為639.61 m,穿越12次不同地層,隧道Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比高達(dá)83%,地質(zhì)條件極為復(fù)雜。此外,隧道全線多處面臨瓦斯突出、高地應(yīng)力、軟巖大變形、突水涌泥等地質(zhì)災(zāi)害問題,隧道施工難度大,安全風(fēng)險(xiǎn)高。

本次隧道模型試驗(yàn)選定區(qū)段位于隧道YK45+015段,為Ⅴ級(jí)圍巖。該區(qū)段圍巖巖性以灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖為主,巖體整體較為破碎,強(qiáng)風(fēng)化層節(jié)理裂隙發(fā)育,自穩(wěn)能力差。此外,隧道圍巖巖體伴隨潮濕狀或點(diǎn)滴狀出水,地下水含量較為豐富。

2.2 隧道模型試驗(yàn)系統(tǒng)

本次試驗(yàn)采用多功能相似模型試驗(yàn)框架完成,模型框架凈空尺寸為3.60 m×0.30 m×2.00 m(長×寬×高),且長、寬、高均可獨(dú)立拆裝調(diào)節(jié),安裝簡單方便。根據(jù)隧道實(shí)況及研究需要,本次隧道模型試驗(yàn)選用的框架尺寸為2.00 m×0.05 m×1.50 m,兩端用長短夾固定,隧道模型上方的前、后、左、右各布置1塊鋼化玻璃組成“開口玻璃箱”,用以束縛模型上端采用石英砂堆積的靜載。隧道模型試驗(yàn)裝置,如圖7所示。

圖7 隧道模型試驗(yàn)裝置Fig.7 Model test instrument

試驗(yàn)監(jiān)測裝置由YJZA-32型智能數(shù)字應(yīng)變儀與DSCM技術(shù)聯(lián)合組成,通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部采集卡分析逐次加載受力信息,實(shí)現(xiàn)隧道模型應(yīng)力場和應(yīng)變場數(shù)據(jù)同步高速采集。

該試驗(yàn)應(yīng)力測量系統(tǒng)如圖8所示。YJZA-32型智能數(shù)字應(yīng)變儀測量精度為±0.1%,分辯度為1個(gè)με ,采集速率為1s/點(diǎn),應(yīng)變儀與模型中心斷面處布設(shè)的壓力盒傳感器通過導(dǎo)線相連,調(diào)節(jié)壓力盒初始數(shù)值,然后將應(yīng)變儀連接于電腦,可傳送模型內(nèi)部采集的應(yīng)力數(shù)據(jù)。此外,分別在隧道中心斷面左、右、上測各布設(shè)兩個(gè)壓力盒,其中1#、2#、3#壓力盒位于隧道變形層邊緣處,其余每條測線上壓力盒相距為10 cm。

圖8 試驗(yàn)應(yīng)力測量系統(tǒng)Fig.8 Test stress measurement system

利用DSCM技術(shù)采集隧道模型變形破壞數(shù)字散斑圖像信息。首先通過三腳架上的卡槽及螺栓固定像素為1 630×1 224的高清CCD相機(jī),調(diào)試校準(zhǔn)攝像頭與隧道模型中人工制造的散斑場,確保攝像頭與水平地面平行、其軸線與模型待測區(qū)域垂直。如圖9所示,先將CCD相機(jī)攝像頭固定在距離隧道模型中軸線1.4 m處,且與水平地面高度保持0.56 m;然后將CCD相機(jī)與電腦通過導(dǎo)線相連,并打開基于Matlab平臺(tái)的DSCM技術(shù)處理系統(tǒng),同時(shí)啟動(dòng)CCD相機(jī)攝像頭,調(diào)整攝像頭光圈直至電腦屏幕顯示出清晰的散斑場。

圖9 數(shù)字散斑系統(tǒng)Fig.9 Digital speckle system

2.3 相似材料選擇及制備

為了實(shí)現(xiàn)隧道真實(shí)的地質(zhì)情況,確保隧道模型受荷試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確,應(yīng)使得模型的幾何尺寸、模型圍巖重度與抗壓強(qiáng)度、邊界條件及作用荷載均滿足相似三大基本定理[18]。本次試驗(yàn)選擇幾何相似比Cl為50,重度相似比Cγ為1,隧道模型襯砌結(jié)構(gòu)直徑為16 cm。根據(jù)相似原理,得到隧道模型試驗(yàn)各物理力學(xué)參數(shù)的相似比,見表4。

表4 隧道模型試驗(yàn)各物理力學(xué)參數(shù)的相似比

本次隧道模型試驗(yàn)骨料選用石英砂,膠結(jié)材料采用嵌縫石膏與白云石混合配制相似材料,經(jīng)過多次調(diào)整材料配比,并重復(fù)進(jìn)行土工試驗(yàn)測定其相關(guān)參數(shù),最終確定隧道模型試驗(yàn)各巖層試驗(yàn)材料的配比,見表5。此外,確定本次隧道模型試驗(yàn)水灰比為1∶1,通過表4和表5中隧道模型試驗(yàn)各物理力學(xué)參數(shù)的相似比和各巖層材料的配比,進(jìn)一步計(jì)算得到隧道模型試驗(yàn)各巖層厚度、抗壓強(qiáng)度和材料用量等重要參數(shù),見表6。

表5 隧道模型試驗(yàn)各巖層試驗(yàn)材料的配比

表6 隧道模型試驗(yàn)各巖層材料的用量

2.4 隧道模型試驗(yàn)方案

本次隧道模型試驗(yàn)通過隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)有、無設(shè)置泡沫混凝土緩沖層,研究在逐級(jí)加載情況下隧道圍巖受力及變形規(guī)律,并驗(yàn)證隧道圍巖支護(hù)體系中施作CNTAFC緩沖層的卸壓效果。在隧道模型試驗(yàn)過程中,采用橡膠氣囊注入相同大小氣壓的方法來模擬隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。但需要說明的是,本次隧道模型試驗(yàn)過程中僅以“隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)是否預(yù)設(shè)CNTAFC緩沖層”為變量,其余試驗(yàn)方法和過程完全相同。

隧道模型填筑過程中部分工序,如圖10所示。

圖10 隧道模型填筑過程中部分工序圖Fig.10 Partial process diagram of tunnel model filling process

在隧道模型填筑之前,先完成預(yù)置CNTAFC材料的澆筑,并在框架底部鋪設(shè)一層橡膠片防止石英砂、石灰等材料的泄漏,同時(shí)將預(yù)埋壓力盒放至指定位置,并在其外側(cè)包裹一層聚四氟乙烯薄膜,中間涂抹潤滑油,以減小壓力盒與模型試驗(yàn)材料間的接觸摩擦;然后,將各巖層所需材料依次稱取并撒入模型試驗(yàn)箱內(nèi),分層壓實(shí)直至達(dá)到模型試驗(yàn)指定高度(試驗(yàn)各巖層材料用量及厚度見表6),并在層間采用2～3 mm厚度的云母片分隔,待模型鋪設(shè)完成后,將壓力盒計(jì)數(shù)調(diào)至為零,采用石英砂堆積的方式模擬隧道加載過程,分為6次逐步加載,每次堆積高度為10 cm,約施加壓力1.7 kPa,加載30 min后再進(jìn)行下一級(jí)壓力施加;最后,布設(shè)尺寸為60 cm×50 cm(長×寬)人工散斑場,采用既定監(jiān)測裝置采集隧道圍巖加載過程中受力及變形數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 隧道圍巖應(yīng)力場變化規(guī)律分析

有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道變形層各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力隨加載次數(shù)的變化曲線,見圖11。

圖11 有、無CNTAFC緩沖層條件下隧道變形層各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力隨加載次數(shù)的變化曲線Fig.11 Stress changes in surrounding rock at various measurement points of tunnel deformation layer with or without CNTAFC buffer layer support structure

由圖11可以看出:

1) 無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下[圖11(a)],在逐級(jí)加載過程中,隧道變形層各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致,逐級(jí)增大。整體而言,隧道拱頂應(yīng)力最高,該測點(diǎn)最大應(yīng)力達(dá)到8.98 kPa,隧道左側(cè)應(yīng)力次之(為7.48 kPa),隧道右側(cè)應(yīng)力值最小,為7.21 kPa。此外,在硐周沿徑向應(yīng)力分布情況也有所不同,如1#測點(diǎn)圍巖應(yīng)力高于4#測點(diǎn),2#測點(diǎn)圍巖應(yīng)力高于5#測點(diǎn),3#測點(diǎn)圍巖應(yīng)力高于6#測點(diǎn),即隧道圍巖應(yīng)力從硐周沿徑向呈現(xiàn)減小的趨勢。

2) 有CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下[圖11(b)],隧道變形層各測點(diǎn)圍巖應(yīng)力的分布規(guī)律與無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下存在著顯著的差異:在CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下,隧道頂部和左側(cè)圍巖應(yīng)力均在第四次加載、隧道右側(cè)圍巖應(yīng)力在第五次加載情況下達(dá)到最大值,應(yīng)力值分別為5.48、5.01和4.92 kPa,較無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道變形層各測點(diǎn)圍巖最大應(yīng)力值[見圖11(a)]分別降低了38.98%、33.02%和31.76%;但當(dāng)達(dá)到最大應(yīng)力值繼續(xù)加載時(shí),隧道圍巖應(yīng)力減小,這是因?yàn)樵谒淼滥Ｐ屠塾?jì)4次加載后,CNTAFC緩沖層材料已開始發(fā)生破壞,導(dǎo)致材料內(nèi)部壓力減小,壓力盒讀數(shù)降低。此外,隨著隧道模型完成加載后,有CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道變形層圍巖最大壓力值為4.65 kPa,較無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道變形層圍巖最大壓力值7.12 kPa降低了34.69%,進(jìn)一步表明CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效改善隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài),提高隧道圍巖的承載能力。

3.2 隧道圍巖位移場變化規(guī)律分析

3.2.1 隧道圍巖水平位移

不同加載等級(jí)作用下有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道頂部圍巖水平位移分布散斑云圖,見圖12。

圖12 不同加載等級(jí)作用下有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖水平位移分布散斑云圖Fig.12 Speckle cloud map of horizontal displacement distribution of tunnel surrounding rock under different loading levels with or without CNTAFC buffer layer support structure

由圖12可以看出:

1) 無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下,在逐級(jí)加載過程中隧道圍巖最大水平位移分別為0.10、0.40、0.60、1.40、3.0、8.0 mm;在逐級(jí)加載過程中,隧道圍巖水平位移在隧道左右兩側(cè)多呈現(xiàn)對(duì)稱分布,且在隧道洞周兩側(cè)邊墻部位及底部出現(xiàn)應(yīng)變集中,表現(xiàn)出擠出現(xiàn)象[圖12(a)]。

2) 有CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下,在逐級(jí)加載過程中隧道圍巖最大水平位移分別降至0.02、0.30、0.60、1.40、2.50、3.00 mm,隧道圍巖最大水平位移降低了62.5%;在CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道圍巖共同作用前期(1.7～5.1 kPa),隧道圍巖水平位移變化較小,并未有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;當(dāng)隧道頂部圍巖加載增至6.8 kPa時(shí),相比于無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu),隧道圍巖水平位移始終保持著較小的發(fā)展,而在隧道拱頂及拱底豎向變形較為集中[見圖12(b)],表明CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地限制了隧道圍巖水平位移發(fā)展,使隧道圍巖從水平拉剪受力變?yōu)樨Q向受壓,從而保證了隧道的安全與穩(wěn)定;此外,當(dāng)隧道頂部圍巖加載至6.8 kPa時(shí),CNTAFC緩沖層材料因受力超出極限承載能力而開始發(fā)生破壞,表現(xiàn)為隧道拱底、拱腳及右側(cè)邊墻開始產(chǎn)生應(yīng)變集中現(xiàn)象,但應(yīng)變集中遠(yuǎn)小于無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu),這說明CNTAFC緩沖層材料變形破壞后仍然可提供承受壓力的潛力,具有較好的隧道圍巖卸壓效果。

3.2.2 隧道圍巖豎向位移

不同加載等級(jí)作用下有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖豎向位移分布散斑云圖,見圖13。

圖13 不同加載等級(jí)作用下有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖豎直位移分布散斑云圖Fig.13 Speckle cloud map of vertical displacement of tunnel under different loading levels with or without CNTAFC buffer layer support structure

由圖13可以看出:

1) 無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下,在逐級(jí)加載過程中隧道圍巖最大豎向位移分別為0.06、1.40、1.60、2.80、6.00、7.00 mm;此外,隧道洞周圍巖豎向位移總是在隧道拱頂或拱底附近出現(xiàn)最大值,且隧道拱頂或拱底圍巖豎向位移變化明顯高于兩側(cè)邊墻圍巖,并由該位置向隧道圍巖深處發(fā)展,圍巖變形逐漸減小[圖13(a)]。

2) 有CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下,在逐級(jí)加載過程中隧道圍巖最大豎向位移分別為0.04、0.80、1.60、2.0、2.20、2.8 mm,隧道圍巖最大豎向位移降低60%;在隧道頂部圍巖加載初期(1.7～5.1 kPa),豎向位移增長較為緩慢,圍巖變形較為均勻,并未產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;當(dāng)隧道頂部圍巖加載增至6.8 kPa時(shí),隧道圍巖周邊開始在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生局部變形帶,氣囊承載能力達(dá)到最大,且隧道圍巖左右兩側(cè)及底部開始產(chǎn)生顯著的應(yīng)變集中現(xiàn)象,并伴隨著裂紋的出現(xiàn);繼續(xù)加大荷載,CNTAFC緩沖層材料因受力超出極限承載力而發(fā)生破壞,但未出現(xiàn)如同圖13(a)中的應(yīng)變顯著集中現(xiàn)象,僅在隧道拱頂左右側(cè)出現(xiàn)應(yīng)變微集中表現(xiàn),這說明CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)改善了隧道圍巖受力狀況,隧道圍巖、CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的共同承載體避免了隧道圍巖應(yīng)力集中而產(chǎn)生的應(yīng)變集中現(xiàn)象,有效地提高了隧道圍巖強(qiáng)度,維護(hù)了隧道圍巖的穩(wěn)定性[圖13(b)]。

3.3 隧道圍巖最大剪應(yīng)變場變化規(guī)律分析

相比于位移場,最大剪應(yīng)變可以更加直接地反映隧道圍巖的變形破壞狀況。限于篇幅,本文僅展示了第六次加載(10.2 kPa)時(shí)隧道圍巖最大剪應(yīng)變?cè)茍D,如圖14所示。

圖14 有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖 最大剪應(yīng)變分布散斑云圖Fig.14 Speckle cloud map of maximum shear strain with or without CNTAFC buffer layer support structure

由圖14可以看出:

1) 無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下,在較小的加載情況下隧道圍巖最大剪應(yīng)變值相對(duì)較小,且集中于隧道左右兩側(cè),表明此時(shí)隧道圍巖破裂主要集中于兩邊墻拱腰處;隨著隧道頂部圍巖加載增大至5.1 kPa時(shí),隧道兩邊墻破裂將逐漸向拱頂及拱底擴(kuò)展;當(dāng)隧道頂部圍巖加載至10.2 kPa時(shí),隧道圍巖最大剪應(yīng)變值為0.07,并集中于隧道頂部左側(cè)圍巖[圖14(a)]。

2) 有CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下,隧道頂部圍巖加載初期(1.7～5.1 kPa)隧道圍巖最大剪應(yīng)變的變化情況與無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)相似,隧道圍巖最大剪應(yīng)變變化較小;當(dāng)隧道頂部加載增至6.8 kPa時(shí),隧道周邊圍巖最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在隧道拱底處,且隨著隧道頂部荷載的增大,隧道圍巖破裂區(qū)向隧道兩邊墻角延伸,表明CNTAFC緩沖層有效改善了隧道上部荷載對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)擠壓作用造成的裂縫與破壞;當(dāng)隧道頂部圍巖加載至10.2 kPa時(shí),隧道圍巖最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在隧道右側(cè)墻角[圖14(b)]處,約為0.03,相比于無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)隧道圍巖最大剪應(yīng)變降低了57.14%。

4 CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

依據(jù)貴州省某在建隧道實(shí)際工況,為了消除隧道邊界效應(yīng)的影響,模型左右邊界取值約為隧道洞徑的3.5倍,上邊界距隧道頂部約10 m,下邊界距隧道底部約15 m,故隧道模型尺寸取為65 m×35 m×25 m(長×寬×高),并固定模型前后、左右邊界的法向約束與底面邊界的豎向約束,模型頂面為自由約束。為了等效于模型試驗(yàn)逐級(jí)加載大小,在隧道頂部圍巖施加0.89 MPa的均布應(yīng)力。隧道計(jì)算模型如圖15所示。

圖15 隧道計(jì)算模型示意圖Fig.15 Schematic diagram of tunnel calculation model

隧道圍巖和模擬氣囊選用M-C理想彈塑性本構(gòu)模型,依據(jù)隧道隧址區(qū)現(xiàn)場勘探各巖土層承載力和相關(guān)力學(xué)參數(shù)以及公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范,該隧道各巖層與支護(hù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的計(jì)算參數(shù),見表7。

表7 隧道圍巖各巖層與支護(hù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)

4.2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

4.2.1 隧道圍巖位移變化規(guī)律分析

有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖水平及豎向位移隨加載等級(jí)的變化曲線,見圖16。

圖16 有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍 巖水平及豎向位移隨加載等級(jí)的變化曲線Fig.16 Variation curves of horizontal and vertical displacement of tunnel surrounding rock with or without CNTAFC buffer layer support structure

由圖16可以看出:

1) 整體而言,無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖水平及豎向位移隨加載等級(jí)呈線性變化,并逐漸增大;當(dāng)隧道頂部圍巖加載至5.34 MPa時(shí),隧道圍巖水平及豎向位移分別為0.129 m和0.090 m。

2) 相比而言, 有CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖水平及豎向位移均控制在較小的變形范圍,處于0.06 m內(nèi);另外在第五次加載時(shí),隧道圍巖水平及豎向位移均有突增,這是因?yàn)樵诘谒拇渭虞d時(shí)CNTAFC緩沖層材料已達(dá)到極限承載能力并開始發(fā)生破壞,這與上述隧道模型試驗(yàn)分析結(jié)果相同,從而驗(yàn)證了模型試驗(yàn)結(jié)果的正確合理性;當(dāng)隧道圍巖頂部加載至5.34 MPa時(shí),隧道圍巖水平及豎向位移分別為0.050 m和0.028 m,分別降低了61.24%、68.89%,表明CNTAFC緩沖層在峰值強(qiáng)度后仍有較強(qiáng)的吸能減壓作用,可以較好地改善隧道圍巖受力狀況。

4.2.2 隧道圍巖應(yīng)力變化規(guī)律分析

有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖應(yīng)力隨加載等級(jí)的變化曲線,見圖17。

圖17 有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖 應(yīng)力隨加載等級(jí)的變化曲線Fig.17 Change curves of surrounding rock stress with or without CNTAFC buffer layer support structure

由圖17可以看出:與隧道圍巖位移場變化規(guī)律類似,兩種工況下整體上隧道圍巖應(yīng)力隨加載等級(jí)呈上升趨勢,且在第五次加載時(shí)隧道圍巖應(yīng)力突增;此外,無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖最大應(yīng)力為7.21 MPa,而此時(shí)有CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖最大應(yīng)力為5.67 MPa,降低了21.36%。

5 結(jié) 論

1) CNTAFC試件峰值強(qiáng)度為3.0～8.0 MPa,極限應(yīng)變?yōu)?.040～0.049,其平均峰后強(qiáng)度大于平均峰值強(qiáng)度的60%,平均峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的應(yīng)變范圍占平均極限應(yīng)變的30%以上,表明CNT纖維顯著增強(qiáng)了普通泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度,且受力變形后可以提供較大的峰后抗壓強(qiáng)度,滿足隧道圍巖緩沖層填充材料卸壓變形性能的要求。

2) CNTAFC試件具有抗壓強(qiáng)度顯著提高、變形緩慢和能量逐漸外放的特點(diǎn),滿足深埋軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖層填充材料吸能和逐步釋壓的要求。此外,從能量釋放的角度分析,CNTs摻量為0.05%的CNTAFC試件更滿足深埋軟巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖層填充材料卸壓的要求。

3) 通過對(duì)深埋軟巖隧道有、無CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下隧道圍巖水平位移、豎向位移、應(yīng)力和最大剪應(yīng)變隨加載等級(jí)的變化規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果表明CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效地改善隧道圍巖的應(yīng)力狀況,顯著提高隧道圍巖承載能力,緩解二次襯砌上的形變壓力,保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

4) 采用數(shù)值模擬方法進(jìn)一步驗(yàn)證隧道模型試驗(yàn)結(jié)果的合理正確性,結(jié)果表明CNTAFC緩沖層支護(hù)結(jié)構(gòu)有效改善了隧道圍巖應(yīng)變集中現(xiàn)象,滿足軟巖隧道緩沖層填充材料吸能減壓的要求。