季節(jié)性凍土隧道圍巖變形機(jī)制研究

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 40074)

Thestudyofdeformationmechanismsofsurroundingrockoftunnelslocatedinseasonalfrozenarea

Cuihualong

(ChongqingJiaotongUniversity,GeotechnicalEngineering,Chongqing,40074)

Abstract：The main reason of tunnels producing frost damage is seasonal changes of freezing and thawing,its deformation mechanism for Lord freeze period and under the action of freeze-thaw cycle,and the engineering properties of rock mass and rock mass structure change;Introduces the factors influencing the frost heave effect of surrounding rock has three aspects:temperature,seepage field and seasonal frozen;This paper shows that weak layers can make the surrounding rock displacement and stress increase sharply,surrounding rock plastic zone distribution area is large,fault fracture zone of the surrounding rock deformation is greater than the normal period of deformation of the surrounding rock.

Keywords：Seasonal frozen soil;deformation mechanism of surrounding rock

一、引言

地球上多年凍土、季節(jié)凍土和瞬時(shí)凍土區(qū)的面積約占陸地面積的50%，我國(guó)永久性凍土和季節(jié)性凍土的分布區(qū)域占國(guó)土面積的70%以上[1]，主要分布在西部和北部，而且這些地區(qū)大多是崇山峻嶺，可以預(yù)見高海拔地區(qū)隧道將迎來修建高潮，高緯度或高海拔地區(qū)隧道的修筑對(duì)工程技術(shù)人員提出了更高的挑戰(zhàn)和要求[2]。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在考慮了季節(jié)性凍土方面，賴遠(yuǎn)明[3]利用彈性粘彈性相應(yīng)原理，導(dǎo)出了襯砌-正凍圍巖-未凍圍巖系統(tǒng)凍脹力在拉氏象空間中的有關(guān)算式，然后采用數(shù)值逆變換的方法，求得了寒區(qū)隧道的凍脹力和襯砌應(yīng)力。賴遠(yuǎn)明[4]根據(jù)凍土地區(qū)的實(shí)際情況對(duì)圓形隧道正凍區(qū)和未凍區(qū)的熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，應(yīng)用無量綱量和攝動(dòng)技術(shù)對(duì)簡(jiǎn)化方程進(jìn)行求解，給出了圓形隧道凍結(jié)過程的近似解析解。王建宇[5-7]認(rèn)為凍脹壓力的量值和分布不僅取決于圍巖的性態(tài)和氣象條件，而且同襯砌結(jié)構(gòu)的材料、剛度以及施工質(zhì)量密切相關(guān)，從巖石和土層兩種圍巖中襯砌承受凍脹壓力的機(jī)理出發(fā)，探討其計(jì)算方法。

三、隧道圍巖變形機(jī)制

凍土：一般是指一種溫度低于0℃且含有冰的巖和土[8]，即凍土是凍結(jié)土和凍結(jié)巖的總稱。

(一)凍結(jié)期內(nèi)的變形機(jī)制分析

低溫條件下，巖石內(nèi)部的孔隙水產(chǎn)生凍結(jié)、發(fā)生體積膨脹，在巖石內(nèi)部產(chǎn)生凍脹作用。對(duì)于顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較弱的巖石，這種凍脹力具有破壞作用，極易在巖石內(nèi)部造成損傷；且當(dāng)巖石含水量較高時(shí)，局部損傷有可能逐步連通成裂縫，甚至造成巖石塊體斷裂、剝落。

(二)融沉期內(nèi)的變形機(jī)制

融沉期隧道圍巖溫度場(chǎng)由負(fù)溫轉(zhuǎn)為正溫，凍土融化，巖體產(chǎn)生收縮，圍巖繼續(xù)受到擾動(dòng)，穩(wěn)定性更差，塑性區(qū)變得更大，極易產(chǎn)生大變形。在融沉期，巖石內(nèi)部孔隙冰的融化,凍結(jié)應(yīng)力和水分開始釋放流出,這一過程加速了巖石的裂隙發(fā)展。凍土融化后極易產(chǎn)生坍方。尤其對(duì)于圍巖巖體破碎，差異風(fēng)化明顯，上下部圍巖軟硬不一，穩(wěn)定性差；隧道埋深淺，破碎塊石地層具備較強(qiáng)的滲流通道，為地表水和冰雪融化水滲入隧道內(nèi)提供了通道[9]。

(三)凍融循環(huán)作用下的變性機(jī)制

巖石凍融損傷的本質(zhì)是三相介質(zhì)(巖石、水和冰)具有各自不同的熱物理性質(zhì)[10]。溫度降低時(shí),水冰相變膨脹,在巖石內(nèi)部產(chǎn)生了巨大的凍脹力,使其出現(xiàn)局部損傷產(chǎn)生微裂縫;溫度升高時(shí),伴隨著巖石內(nèi)部孔隙冰的融化,凍結(jié)應(yīng)力和水分開始釋放流出,這一過程加速了巖石的局部損傷。

巖石的凍融損傷劣化程度與凍融循環(huán)次數(shù)和凍融周期密切相關(guān)。循環(huán)次數(shù)越多,凍融周期越短,巖石受到的損傷越大、程度越深。此外,凍融溫度范圍對(duì)巖石的劣化損傷也有較大影響,凍融溫度范圍越大(凍結(jié)溫度值越低),巖石受凍融循環(huán)影響越大。

四、結(jié)論

(1)凍結(jié)期，巖石的工程力學(xué)特性發(fā)生了改變，由于冰的膠結(jié)作用，巖石強(qiáng)度會(huì)有不同程度的增加；巖石的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，凍脹作用破壞巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成巖塊斷裂、剝落。(2)融沉期，巖體內(nèi)部孔隙水融化，軟體軟化、收縮，對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，影響其穩(wěn)定性。(3)循環(huán)凍融破壞，巖體的凍融損傷本質(zhì)上是所處環(huán)境的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)及滲流場(chǎng)的耦合問題，多次凍融循環(huán)后,導(dǎo)致巖體強(qiáng)度和巖體承載力降低,最終對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。