寶天高速黑嶺隧道土、巖及接觸面力學(xué)特性分析

馮美娜

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

0 引言

寶天高速公路（陜西境）BT4合同段位于陜甘交界的秦嶺山區(qū)，地形相對高差較大，為中低山～低山區(qū)地貌特征。山區(qū)植被稀少，黑嶺隧道址高程介于629.70m～1035.46m之間，全線隧道最大埋深294.02m。隧道地質(zhì)為典型的黃土覆蓋土、巖接觸復(fù)雜圍巖，為確保施工過程安全，提高施工質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，項(xiàng)目現(xiàn)場成立研究小組，通過對土、巖及接觸面力學(xué)特性進(jìn)行分析，提前選取合理的支護(hù)參數(shù)，既確保了隧道開挖的安全與進(jìn)度，又降低了工程造價。

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 確定土的基本物理指標(biāo)

根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-2001），對采取的土樣進(jìn)行土的基本物理性質(zhì)、滲透性及剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。所有試驗(yàn)操作均按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—1999進(jìn)行。

由試驗(yàn)確定的土的物理性質(zhì)見表1，黑嶺隧道采取黃土的天然含水量在19.22%～20.06%之間，砂巖的天然含水量在5.58%～8.01%之間；黃土的干重度在15.65 kN/m3～16.32 kN/m3之間,砂巖的干密度在20.64 kN/m3～24.08 kN/m3之間；黃土的液性指數(shù)均小于1，呈堅(jiān)硬狀態(tài)，黃土的塑性指數(shù)在10.56～15.57，黃土屬于粉土或粉質(zhì)粘土，砂巖呈全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化。

表1 土、巖接觸面上覆黃土及砂巖基本物理特性

土樣編號 液限(%) 塑限(%) 塑性指數(shù) 液性指數(shù)黑嶺-1 30.29 17.77 12.52 -0.21黑嶺-2 34.17 23.62 10.56 -0.37黑嶺-3 38.18 22.61 15.57 -0.37平均值 34.22 21.33 12.88 -0.31小值平均值 32.25 19.55 12.70 -0.26砂巖-1砂巖-2平均值

1.2 原狀黃土三軸試驗(yàn)

黑嶺1號土樣的固結(jié)不排水三軸剪切應(yīng)力—應(yīng)變曲線，見圖1～圖4。隨著固結(jié)圍壓增大，土的抗剪強(qiáng)度在不斷增大；低圍壓時具有明顯的峰值強(qiáng)度，應(yīng)力應(yīng)變呈軟化型。黑嶺2號土樣的固結(jié)不排水三軸剪切應(yīng)力—應(yīng)變曲線，見圖5～圖8。低圍壓時具有明顯的峰值強(qiáng)度，應(yīng)力應(yīng)變呈軟化型；隨著圍壓的增大，土的抗剪強(qiáng)度也在不斷增大，但增長幅度較小。黑嶺3號土樣的固結(jié)不排水三軸剪切應(yīng)力—應(yīng)變曲線，見圖9～圖12。低圍壓時具有明顯的峰值強(qiáng)度，應(yīng)力應(yīng)變呈軟化型；隨著圍壓的增大，土的抗剪強(qiáng)度也在不斷增大，但在200 kPa～300 kPa圍壓作用下對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度增長幅度較小。同樣固結(jié)不排水三軸剪切應(yīng)力—應(yīng)變曲線，低圍壓時具有明顯的峰值強(qiáng)度，應(yīng)力應(yīng)變呈軟化型；隨著圍壓的增大，土的抗剪強(qiáng)度也在不斷增大，但在200 kPa～300 kPa圍壓作用下對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度增長幅度較小，固結(jié)不排水三軸剪切應(yīng)力—應(yīng)變曲線，固結(jié)圍壓在50 kPa、100 kPa、200 kPa時，應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈軟化型，具有峰值強(qiáng)度。

圖1 50 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖2 100 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 200 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖4 300 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖5 50 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 100 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 200 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖8 300 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖9 50 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖10 100 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖11 200 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖12 300 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

綜合上述3組原狀土樣固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，研究表明：

1）土在小圍壓50 kPa～100 kPa下應(yīng)力達(dá)到峰值后隨應(yīng)變的增加而減小，土產(chǎn)生較為明顯的軟化現(xiàn)象；2）雖在200 kPa也有軟化現(xiàn)象產(chǎn)生，當(dāng)固結(jié)壓力為300 kPa時，具有明顯的硬化現(xiàn)象；3）由于原狀土存在結(jié)構(gòu)性，隨著較弱結(jié)構(gòu)單元的變形破壞，較強(qiáng)結(jié)構(gòu)單元的強(qiáng)度將逐漸發(fā)揮出來，應(yīng)變硬化曲線或應(yīng)變軟化曲線，抗剪應(yīng)力的跳躍性增長表現(xiàn)在剪切過程中。

1.3 重塑飽和黃土的三軸剪切試驗(yàn)

重塑黑嶺1號至黑嶺3號飽和黃土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線（飽和固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)）：

依據(jù)飽和重塑土的應(yīng)力應(yīng)變曲線表明，重塑土的結(jié)構(gòu)，把原狀土樣的天然結(jié)構(gòu)破壞，以天然干密度為標(biāo)準(zhǔn)，制備配通過2 mm篩，盡管結(jié)構(gòu)破壞后的土與原來的土體密實(shí)度一樣，可是原狀土原來的膠結(jié)結(jié)構(gòu)已被破壞失去作用，粘接力消失，吸力作業(yè)消失，飽和重塑土的應(yīng)力應(yīng)變告訴我們，破壞后與原狀土的土體所表現(xiàn)出來的力學(xué)特性差異較大。

1.4 重塑砂土樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線

天然黃土覆蓋層下伏的砂巖雖然密實(shí)度大但也難以采取原狀樣，主要原因是風(fēng)化嚴(yán)重，易碎散。因此，全風(fēng)化砂巖的變形特性參數(shù)在室內(nèi)制備重塑樣來近似確定需采取擾動樣。用干密度為16.08 kN/m3制備砂樣，重塑砂土樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線的測試結(jié)果見圖13～圖16。

圖13 50 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖14 100 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖15 200 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖16 300 kPa圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線

2 抗剪強(qiáng)度分析

2.1 原狀土的抗剪強(qiáng)度

黑嶺4組土樣的強(qiáng)度包線見圖17～圖20，確定了相應(yīng)的固結(jié)不排水強(qiáng)度指標(biāo)。

圖17 黑嶺1號土強(qiáng)度包線

圖18 黑嶺2號土強(qiáng)度包線

圖19 黑嶺3號土的強(qiáng)度包線

圖20 黑嶺4號土的強(qiáng)度包線

表2 原狀土粘聚力c及內(nèi)摩擦角φ

對同一開挖隧道的相同埋深部位盡管試樣采取，但土樣因基本物理性質(zhì)的差別，變現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)不同；同時，使試樣在剪切破壞時有比較明顯的剪切破壞面是由于原狀土的結(jié)構(gòu)性。試驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)內(nèi)摩擦角最大值為：32.60，最小值為：18.30，小值平均值為：21.18。根據(jù)表2，除黑嶺5號樣之外，其余土樣的內(nèi)摩擦角分別與小值均值接近。土的粘聚力最大值為：112 kPa，最小值為：40 kPa，小值均值為：55.7 kPa。根據(jù)表2所示和結(jié)構(gòu)性力學(xué)特性分析，每個土樣的粘聚力相差較大。土粘聚力的變化與土樣內(nèi)部本身的土結(jié)構(gòu)及孔隙分布變化密切相關(guān)。

2.2 飽和重塑土的抗剪強(qiáng)度

將原狀土樣擾動后，將原狀土相同的干密度控制，采用壓樣法制備成重塑土樣，開始飽和，進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。根據(jù)破壞應(yīng)變條件下的應(yīng)力狀態(tài)繪制莫爾應(yīng)力圓，確定強(qiáng)度包線及其相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)。

土的原狀土樣和強(qiáng)度參數(shù)有較大區(qū)別，根據(jù)飽和重塑土的固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)結(jié)果可知：粘聚力和內(nèi)摩擦角的小值均值由高降低。與原狀土樣重塑結(jié)構(gòu)破壞關(guān)系密切的主要是土強(qiáng)度指標(biāo)的變化。土原狀結(jié)構(gòu)被破壞后，制備成的重塑土土粒間的膠結(jié)連接被破壞，孔隙分布均勻，粒間吸力消失。

2.3 重塑砂土的抗剪強(qiáng)度

全風(fēng)化砂巖擾動重塑后，控制干密度（16.08 kN/m3）制備砂樣的三軸剪切試驗(yàn)，得到的莫爾應(yīng)力圓及強(qiáng)度包線見圖21。重塑砂土的粘聚力為24 kPa，摩擦角為38°。由于砂土干容重較實(shí)際全風(fēng)化砂巖的干容重（22.27 kN/m3）小得多，因此，實(shí)際全風(fēng)化砂巖的強(qiáng)度指標(biāo)，尤其是粘聚力較測試結(jié)果可能要大許多。

圖21 重塑砂土的抗剪強(qiáng)度包線

3 結(jié)論

寶天高速公路（陜西境）BT4合同段位于陜甘交界的秦嶺山區(qū)，地形相對高差較大，黑嶺隧道址高程介于629.70 m～1035.46 m之間，隧道地質(zhì)為典型的黃土覆蓋土、巖接觸復(fù)雜圍巖。為確保施工過程安全，提高施工質(zhì)量，加快施工進(jìn)度，項(xiàng)目現(xiàn)場成立研究小組，采用黃土三軸試驗(yàn)、重塑飽和黃土的三軸剪切試驗(yàn)、重塑砂土樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線測試，對土、巖及接觸面進(jìn)行力學(xué)特性分析。從而得出，飽和重塑土較原狀土的粘聚力有較大程度的減小，摩擦角較接近，同時也說明原狀土結(jié)構(gòu)性的喪失主要是其粘聚力的減小。從而通過對土、巖及接觸面力學(xué)特性進(jìn)行分析，提前選取合理的支護(hù)參數(shù)，既確保了施工安全，又節(jié)約了材料，提高了效率。