拉林鐵路隧道富水冰磧層力學特性研究

鄭宗溪，王 巖，劉大剛，胖 濤，劉金松

（1.中鐵二院工程責任有限公司，四川成都 610031；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031；3.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031）

隨著川藏線工程的展開，高原特殊地質問題成為了熱點問題。在建的川藏線拉林（拉薩—林芝）鐵路共計有6 座隧道穿越富水冰磧層，總長近2 600 m。但目前國內外關于冰磧層隧道研究較少，建設中存在地質工程特性認識不清、圍巖預加固及隧道結構設計無據可循、地質預測預報及施工經驗不足等技術難題。因此，針對拉林鐵路出現的冰磧層進行力學性質研究顯得尤為重要。

冰磧層是第四紀冰川融化過程中漂石、碎石、砂礫、粉土和黏土在毫無分選的條件下快速混雜堆積形成的一種特殊巖土材料［1-6］。冰磧層不僅具有密度大、抗剪強度高、沉陷變形小、透水性較強等一般粗粒土特性，也有分選性差、大小顆粒混雜等獨特性質。呂士展等［7］認為冰磧層的宏觀特征是無分選、無定向、無磨圓、無層理。謝春慶［8］通過水文地質試驗、載荷試驗、抗剪試驗研究了冰磧層的工程性能，得出了冰磧層填料總體干密度大、密實度較高、滲透性低、承載力高、低變形、抗剪能力高等特點。木勛等［9］通過滲透試驗得出冰磧層填料滲透性好，屬于中透水層。于洪翔等［10］發現西藏自治區林州縣冰水堆積物中泥礫部分主要為底磧，壩區的冰水堆積物主要是冰川和冰融水所形成的地形和堆積物，含泥量明顯高于現代河床沖積物，且隨深度增加孔隙變小、密度增大。

綜上所述，對川藏線拉林鐵路隧道穿越的富水冰磧層進行大型三軸剪切試驗，探究相對密實度、含水率對富水冰磧層的影響規律，同時分析圍壓對于冰磧層峰值強度的影響。試驗結果對后續工程建設具有指導意義。

1 試驗設備及材料制備

1.1 試驗設備

冰磧層采用傳統的三軸試驗會因顆粒粒徑過大而無法得到試驗結果，而大型三軸剪切試驗主要針對顆粒粒徑不大于60 mm 的土進行試驗。大型三軸剪切試驗儀是一種較為理想的研究儀器。因此，選用應力路徑控制的大型三軸剪切試驗儀，軸向應力、應變、圍壓等參數均由計算機自動采集。其主要技術參數見表1。

表1 大型三軸剪切試驗主要技術參數

1.2 試驗材料

試樣取自林芝地區藏噶隧道，呈灰白色，顆粒大小混雜，分選性差。對試樣進行密度試驗，可知冰磧層土的最小干密度為1 980 kg/m3，最大干密度為2 310 kg/m3。對試樣進行顆粒篩分試驗，得到顆粒粒徑級配曲線見圖1。

圖1 顆粒粒徑級配曲線

對圖1進行分析，可計算出試樣的曲率系數Cc為5.46，不均勻系數Cu為35.84，故本次冰磧層試樣為級配不良土。

1.3 試樣制備

1.3.1 不同相對密實度試樣制備

根據大型三軸試驗儀器的操作要求，在進行試樣制備時，試樣的高度應保持在60 cm 左右且相對密實度不能過低，否則會使試樣坍塌。相對密實度按照0.56，0.67，0.82，0.95 的標準進行試驗。根據試樣的密度試驗、含水率試驗結果，可計算得到相對密實度為 0.56，0.67，0.82，0.95 時試樣的總質量分別為93.38，95.00，97.30，99.40 kg。在進行試樣填充時，采用分層填充的方法，每一層均壓實，防止出現人為的破壞面。

1.3.2 不同含水率試樣制備

根據土力學三相指標的計算公式，可得到含水率與相對密實度的計算公式為

式中：w為含水率；Sr為飽和度；emax為最大孔隙比；emin為最小孔隙比；Dr為相對密實度；Gs為土的相對密度。

通過計算得到相對密實度為0.56，0.67，0.82，0.95 時試樣飽和含水率分別為10.39%，9.60%，8.51%，7.58%。可知，試樣的相對密實度越高，其飽和含水率越低。

為了研究水對于試樣峰值強度、黏聚力、內摩擦角的影響關系，采用相對密實度為0.56、不同含水率的試樣進行研究。試樣含水率分別為2.30%（天然狀態），5.07%，7.84%，10.39%（飽和狀態）。經計算，得到試樣制備時所需試樣質量及水的質量，見表2。在制備不同含水率試樣時，先將水加入試樣中，然后用塑料袋鋪好，密封24 h后進行試驗。

表2 不同含水率試樣所需水的質量

2 試驗結果及分析

對試樣進行大型三軸剪切試驗，采用電液伺服機制保持圍壓的穩定。在試驗過程中，圍壓分別采用100，200，300 kPa對試樣進行剪切壓縮，以偏應力不再劇烈改變或者軸向應變達到20%作為控制標準。

2.1 不同相對密實度試驗結果

經剪切試驗，得到不同相對密實度試樣的應力應變曲線，見圖2。可知，相對密實度為0.56 和0.82 的試樣在圍壓100～300 kPa 下應力應變曲線無明顯的峰值點；相對密實度為0.67 和0.95 的試樣在圍壓100～300 kPa下的應力應變曲線有明顯的峰值點。

圖2 不同相對密實度試樣的應力應變曲線

針對圖2中沒有明顯峰值點的應力應變曲線，一般按工程經驗取應變為20%時所對應的應力作為峰值強度。繪制不同圍壓下試樣峰值強度、峰值強度增長率與相對密實度的關系曲線，見圖3。

圖3 試樣峰值強度、峰值強度增長率與相對密實度的關系曲線

由圖3可知：峰值強度隨相對密實度的增加呈現先緩慢增加后趨于平穩的趨勢；圍壓為100 kPa 時，峰值強度增長率隨相對密實度的增加呈現較大的增長趨勢，最大的峰值強度增長率將近71%；而隨著圍壓的增大，峰值強度的增加趨勢不再明顯，峰值強度增長率在60%左右，說明隨著圍壓的增大，相對密度對峰值強度的增長影響逐漸減弱。這是因為在高圍壓狀態下試樣本身就被壓密實，孔隙率比初始試樣要更小。

以圍壓作為最小主應力，峰值強度與圍壓的和作為最大主應力，可以繪制出摩爾應力圓。若采用摩爾庫倫準則，假設其強度包絡線為一直線，根據最小二乘法可以擬合出一條公切線，則可以得到不同密實度情況下試樣的黏聚力及內摩擦角，見表3。可知，相對密實度從0.56 變化至0.95 時，黏聚力的變化范圍為52.12～114.36 kPa，內摩擦角的變化范圍為 39.23°～47.57°。這說明隨著試樣越來越密實，冰磧層顆粒間接觸緊密，咬合力增加，難以破壞，其黏聚力有顯著的增加；而內摩擦角除在相對密實度為0.56 時較小以外，其余相對密實度時內摩擦角的變化均不大，穩定在45°～48°。說明相對密實度對于內摩擦角的影響有限，當相對密實度超過0.67 時，其對內摩擦角的影響會逐漸減弱。

表3 不同相對密實度試樣基本力學指標

2.2 不同含水率試驗結果

經剪切試驗，得到不同含水率下試樣的應力應變曲線，見圖4。可知，4 種含水率的試樣在圍壓100～300 kPa下應力應變曲線無明顯的峰值點。

圖4 不同含水率時試樣的應力應變曲線

取圖4中應變為20%時所對應的應力作為峰值強度。繪制不同圍壓下試樣峰值強度、峰值強度增長率與含水率的關系曲線，見圖5。由圖5（a）可知，峰值強度隨含水率的增加呈現先增加后減小的趨勢，含水率達到飽和含水率時峰值強度急劇減小。由圖5（b）可知，不同含水率下圍壓對試樣峰值強度增長率的影響較小。其主要原因是含水率改變了土顆粒之間的黏結強度，而圍壓的作用使試樣更加密實。

圖5 試樣峰值強度、峰值強度增長率與含水率的關系曲線

根據得到的峰值強度，繪制不同含水率下的摩爾應力圓，從而得到不同含水率下試樣的黏聚力及內摩擦角，見表4。可知：①含水率從2.30%變化至10.39%時，黏聚力的變化范圍為15.51～69.70 kPa，內摩擦角的變化范圍為34.34°～43.02°。試樣的黏聚力隨著含水率的增加呈現先緩慢增加而后急劇減小的趨勢，原因是試樣中水的含量接近飽和含水率時，試樣中顆粒與顆粒之間的黏結減弱，其黏聚力會急劇衰減。②試樣的內摩擦角隨含水率的增加整體呈先緩慢增加而后降低的趨勢，在含水率為5.07%～7.84%時，內摩擦角減弱的幅度較少，曲線基本趨于平緩。原因是含水率增大，結合水膜厚度增加，黏結力逐漸減弱，顆粒間摩擦力的減小，致使內摩擦角隨含水率的增大而降低，但變化幅度較小。

表4 不同含水率試樣基本力學指標

3 結論

1）相對密實度、含水率對冰磧層的峰值強度、黏聚力、內摩擦角均有影響。含水率對冰磧層的影響程度要大于相對密實度，因此在實際的工程應用中，應當注意冰磧層的含水率。

2）冰磧層的峰值強度隨相對密實度的增加呈現先緩慢增加后逐漸平穩的變化趨勢；黏聚力隨相對密實度的增加先減小后增大，總體呈現出逐漸增大的趨勢；內摩擦角與相對密實度無明顯的變化關系。

3）冰磧層的峰值強度隨含水率的增加呈現先增大后減小的變化趨勢，黏聚力隨含水率的增加呈現先緩慢增加后急劇減小的變化趨勢，內摩擦角隨含水率的增加呈現先緩慢增加后降低的變化趨勢。其飽和含水率下的黏聚力為天然狀態下黏聚力的23%，說明水量的增加減弱了顆粒間的黏聚作用。

4）當相對密實度較大時，圍壓對峰值強度的增加不再明顯。不同含水率時，圍壓對冰磧層峰值強度增長率的影響較小，主要是顆粒間的黏聚強度對峰值強度有明顯影響。