干湿交替条件下膨胀围岩隧道的力学性态研究

杨军平，王沾义，唐　伟，李盛南

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林　541004; 2.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林　541004)



干湿交替条件下膨胀围岩隧道的力学性态研究

杨军平2，王沾义1，唐伟1，李盛南1

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004; 2.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林541004)

摘要:以广西南宁膨胀土为围岩材料，制作室内膨胀围岩隧道物理模型。通过对隧道模型进行干湿循环试验，得出围岩在吸水及失水条件下的围岩应力－时间关系曲线及衬砌应变－时间关系曲线。试验认为在吸水过程中大部分测点的围岩压力都经历了增长、减小、不同速率的再增长3个阶段。衬砌变形则经历缓慢增长、急剧增长、急剧减小、微增长4个阶段;在失水过程中，从整体上可以将围岩压力变化分为两部分，即围岩失水收缩致使衬砌和围岩的接触压力下降导致围岩应力值减小以及土体收缩产生收缩应力导致应力监测值增大。并分析这种变化规律的形成机理，证明时间效应和空间效应的存在。为今后膨胀围岩隧道的结构设计和施工优化提供一定的理论参考。

关键词:膨胀围岩;隧道模型;干湿循环;围岩压力;衬砌变形

膨胀土是一种特殊土，由于其含蒙脱石和伊利石等强亲水性矿物较多，故其物理性质和力学性质对水分的变化极为敏感［1］，气候敏感性较为强烈［2］。尤其在干湿交替的情况下，膨胀土表现出显著的胀缩特性，它遇水膨胀软化，失水收缩开裂，工程特性变化强烈，强度的“变动”特性［3-4］明显。

就目前而言，国内外学者对膨胀性岩土的研究投入了大量的精力，获得了较为丰富的学术成果，尤其在膨胀土干湿循环的研究方面。吕海波等［5］以南宁原状膨胀土为对象开展了干湿循环试验，得出了该土随循环次数的递增，其抗剪强度逐渐衰减直至趋于稳定的结论。曾召田等［6］对膨胀土开展干湿交替条件下孔径大小分布规律的研究，得出随循环次数的发展，土的微结构参数表现出递增趋势的结论。BASMA等［7］对4种重塑膨胀土开展了干湿循环试验，指出循环次数的增加，土的抗剪强度降低，胀缩特性减弱。

但是，目前还未见有关膨胀岩土地区隧道工程方面较为系统且全面的研究。并且已有的研究成果中还有不少是以相似材料来替代工程实际的围岩材料来开展试验的，导致试验结果的准确性严重依赖于配置的相似材料。另外，当隧道穿越膨胀岩土这种特殊的地质体时，其围岩时刻在发生着水分的交换，这种交换不是恒定的而是一个动态的发展变化过程。然而这种水分的变化又难以把握，使得隧道工程建设问题变得更加复杂，难以琢磨，由此常引发各种工程事故。如梅七线的崔家沟隧道、青藏线关角隧道、西延线九燕山隧道等都是由膨胀性围岩引起衬砌出现不同程度的开裂、道床变形等破坏现象［8］。这些后果主要是由于我们对膨胀围岩吸水膨胀和失水收缩的胀缩特性认识不足以及对干湿循环效应引起的围岩应力重分布缺乏科学的研究分析而导致。鉴于此，开展干湿交替条件下膨胀围岩隧道的力学性态研究是具有一定科学意义和实际工程价值的。

本试验选取广西南宁地区的膨胀土为围岩材料，制作了室内膨胀围岩隧道物理相似模型。通过对隧道模型的干湿循环试验，研究和分析试验中所采集到的围岩应力变化值和衬砌应变变化值，得出在干湿条件下围岩压力和衬砌变形的发展变化规律和形成机理。

1　地质及气象资料

本模型试验针对广西地区膨胀性岩土地质体及炎热多雨的特殊气候环境条件而开展的，为了研究该条件下膨胀性围岩干湿循环的普遍性问题，本试验不选取某一具体隧道工程为研究原型，而是以公路隧道设计规范(JTG/T D70—2010)［9］为参考，按一般浅埋隧道的情况考虑。广西地区膨胀土分布广、种类较多。其中，宁明、百色和南宁盆地一带主要由第三系湖相沉积泥岩、粉质砂岩及其风化残积物形成;桂林、柳州和来宾以及南宁盆地东南缘、武鸣等岩溶盆地或丘陵地区则主要由碳酸盐岩经风化残积形成。另外，广西地处亚热带地区，炎热多雨，极端气温发生在八月，气温为39℃;降雨量时空分布不均，4～9月降雨充沛，11～2月降雨稀少;干湿季节分明，夏湿冬干。因此极易造成膨胀土的干湿循环效应。在隧道埋深较浅，节理较发育的情况下，处于降雨量充沛季节时，大气降雨极易渗入，导致岩体吸水含水率增大围岩发生膨胀。在天气干燥雨水枯竭的季节，又由于太阳辐射，蒸发风干带走岩体水分，致使含水率降低围岩产生收缩。

2　模型试验

2.1模型箱设计

图1　模型箱

模型箱由角钢和10 mm厚钢板共同组成，其主要用于隧道模型的成型及作为后期干湿循环过程中隧道的边界约束条件。本试验模拟的是平面应变问题，故模型箱沿隧道纵向方向的厚度仅为40 cm。另外，模型隧道直径设计为15 cm，考虑到影响围岩变形的范围为3～5倍洞径区域以及考虑到取土和模型夯筑的难易程度等因素，综合衡量后确定其他两个方向净空尺寸为:110 cm×110 cm，模型箱实物如图1所示。此外，在模型箱顶板和底板上，各钻取不同数量直径为1 cm的圆孔，以便在对膨胀围岩进行干湿循环试验模拟降雨的过程中起到降雨入渗及排水的作用。

2.2围岩材料

试验用围岩材料全为膨胀土，取自广西南宁畜牧研究所水牛养殖场附近。以膨胀土做围岩材料的最大优势就是可以消除相似材料与实际工程材料之间的差异对试验结果造成的影响。其取土深度为50～70 cm，外观棕黄色，呈硬塑状态，并夹有灰白色黏土，含水量较大。其基本物理力学指标见表1，其中密度、摩擦角、凝聚力是在ρd=1.65 g/cm3和ω=27.8%的情况下而得。并根据文献［9］中各级土质围岩的基本物理力学参数表可知为Ⅴ级围岩。再按膨胀土膨胀潜势分类，可知该土为弱膨胀土。

表1　材料的物理力学参数

2.3数据采集系统及测试元件

试验通过数据采集仪跟电脑连接来实现对围岩压力及衬砌应变的自动连续采集。采集仪为DH3818－2高速静态应变仪，见图2。该应变仪广泛用于土木、交通、机械等领域。若连接合适的传感器，还可进行压力、温度等物理量的测量。该仪器测试应变范围±19 999 με;分辨率为1 με;自动平衡范围±15 000 με;灵敏度系数K=2。

图2　应变测试仪

土压力盒采用长沙翔昊电子科技有限公司生产的XHZ－4XXX系列电阻应变式土压力盒，见图3，其和DH3818－2采用全桥方式连接。土压力盒外观尺寸为Φ30×13 mm，量程为0.3 MPa，分辨率为≤0.05%F· S。该系列土压力盒具有较高灵敏度、体积小等特点。常应用于隧道等地下结构工程动、静态的测试。由于其体积小在室内较小比例的模型试验中更是得到较为广泛的应用。

图3　土压力盒及应变片

本试验采用应变片法对隧道衬砌应变进行测量。试验用应变片均为浙江黄岩仪器测试厂生产的电阻应变片，见图3。型号为BX120—5AA，尺寸规格为5 mm×3 mm，电阻值为(119.7±0.1)Ω，灵敏系数为(2.08±1) %。其通过1/4桥的方式和DH3818－2连接。

2.4隧道模型成型

将取回的膨胀土经翻晒、风干、碾细、过2 mm筛等工序后，烘干称重测得风干含水率，并采取分层洒水、均匀混合的方式配置所需含水率的重塑土。同时，考虑到在密实度越高和含水率越低的情况下，膨胀围岩膨胀效果越明显［10］等因素，以最优含水率和最大干密度为参考，最终按控制干密度为1.65 g/cm3和实测重塑土含水率为27.8%的参数对隧道模型的围岩材料进行夯筑。

围岩材料夯实前，在模型箱各内壁面均匀涂抹一层凡士林。一方面可以减小围岩与模型箱侧壁的摩擦，减小试验误差;另一方面方便模型箱前侧板的拆卸，保持模型表面平整。然后再在模型箱底部铺一层土工布，以防止在夯实及干湿循环过程中，围岩材料沿圆孔流出模型箱外。根据控制干密度和重塑土的实测含水率计算每层夯筑所需的土量，通过人工分层夯实，每2 cm厚为一层。

模型夯筑过程中，按预先设计好的测点位置，将各个土压力盒依次埋设于相应位置。因模型及试验条件为左右对称，故只对右侧围岩进行数据监测。各测点分布位置及数量和土压力盒的埋设如图4所示，其中测点1距离模型底为35 cm，测点7距离模型顶为50 cm。整体夯筑完毕后，盖上顶板并在顶板上均匀施加约2 kN的静载，换算成土层厚度相当于1.5倍隧道直径的厚度。施加静载后，自然条件下静置3 d，待围岩压力发展稳定后，开始下一道工序。

2.5隧道开挖

根据围岩级别、断面尺寸及隧道的埋置深度等因素，选取全断面方式开挖。开挖方法为人工开挖，共分为20个开挖段，每段进尺2 cm。隧道开挖见图5所示。

图4　围岩压力测点分布及土压力盒埋设(单位:cm)

图5　隧道模型洞室开挖

衬砌的设计是考虑到在软岩隧道中圆形截面受力较为均匀，可充分发挥衬砌结构抗压强度的因素而选取圆形截面作为隧道的断面形式。并选取1 mm厚白铁皮作为衬砌材料，自制加工成直径为15 cm洞室形状的圆形封闭铁管。同时在沿隧道纵向20 cm处于衬砌外侧粘贴电阻应变片，其粘贴位置和土压力盒的埋设位置相对应。粘贴好后，用纱布浸泡环氧树脂胶对应变片做防水处理。隧道开挖后，洞室周边围岩的边界条件发生改变导致围岩应力重分布，此时应适时将衬砌施作于隧道内，以防止围岩位移过大导致隧道坍塌。成型后的模型如图6所示。

图6　成型后隧道模型

3　干湿循环试验

本试验的干湿循环过程是通过人工从模型顶部向围岩灌水的方法来达到降雨入渗的效果，以模拟吸水膨胀软化过程，通过常温下电风扇送风的方法达到水分蒸发的效果，以模拟失水干缩开裂过程。

其中吸水膨胀过程的模拟从2014年12月20日9点37分至2015年1月2日09点00分，历时约312 h，采集数据共312组。试验模拟降雨为大雨，日均降雨量为40 mm，降雨过程平稳。在整个过程中，对围岩应力变化值及衬砌应变变化值进行全程连续的实时采集，采集频率设为1次/h。在该过程后期，待24 h内的数据变化小于5%，则认为围岩达到饱和及围岩压力趋于稳定，该过程结束，关闭采集系统。但为不影响干缩过程的开始，降雨继续，以保持围岩应力状态不变。失水干缩过程的模拟从2015年1月3日10点00分至2015年1月17日9点30分，历时约336 h，采集频率为1次/h，采集数据共336组。此外，在各过程开始采集前，应对各测点进行平衡操作，以使各测点初始值为零。

4　试验结果及分析

本试验数据的监测分为围岩吸水和失水两个阶段，各阶段经历的时间不同，初始含水率状态和应力状态也均不同。其中围岩应力及衬砌应变的监测均为7个测点，通过电阻应变式土压力盒来测得各测点处的围岩应力变化值，通过电阻式应变片来测得衬砌上各测点的应变变化值。其中土压力盒所采集的数据已按出厂标定系数换算成应力值。

4.1吸水过程

在该过程中，对围岩应力及衬砌应变进行实时监测，采集数据共312组，其结果如图7、图8、图9所示。

图7　降雨过程围岩各测点应力－时间关系曲线

由图7可知，降雨过程各测点的围岩应力变化值波动较为明显。从变化趋势来看，大部分测点都经历增长、减小、不同速率的再增长3个阶段。造成这种规律的原因是多方面的，它是一个随时间变化而变化的复杂交替的发展过程。但其主要原因是由于入渗水从模型顶部向下渗流，洞室上部区域围岩吸水后产生膨胀形成膨胀压力使得围岩压力缓慢增长;当入渗水到达洞室顶部区域时，围岩吸水后出现软化现象，围岩拱效应减弱，压力拱作用减小［11-13］，致使本身具有一定承载能力的围岩反而转变成一种荷载，造成围岩压力的继续增大;随着水流的继续渗透，测区内围岩吸水软化，结构性降低，对测试元件的握裹力减小，导致采集到的数值减小;最后当水流渗透到测点下部区域后，由于各测点所处位置不同，围岩吸水膨胀对各测点围岩应力值将有不同程度的增大影响。从数值大小方面来看，围岩应力变化值在±30 kPa之间，变化范围较小。造成这种现象的因素是多重的，其中最主要的是在于:(1)本试验衬砌刚度较小，当围岩吸水膨胀时，衬砌变形较大，不能对围岩提供较为可靠的约束力以限制其膨胀变形; (2)模型箱也不是绝对刚性的，在吸水膨胀过程中箱体变形也会减弱围岩的膨胀效应; (3)隧道开挖衬砌施作后未对衬砌和围岩的接触面进行有效的密实处理，导致接触面存在一定的孔隙。总结起来这些原因都是由于膨胀围岩的微小变形而导致膨胀力的急剧减弱［14］。此外，围岩初始含水率较高，膨胀潜势较低也是导致膨胀效应不明显的一个主要原因。

图8　降雨过程衬砌各测点应变－时间关系曲线

图9　降雨过程围岩关键测点应力－时间关系曲线

为了较好地看清测点围岩应力的变化趋势，将第1、4、7这3个关键测点的围岩应力-时间关系曲线分别绘出，见图11。从图中可以看出除上述提及的总体变化趋势外，还可以看出围岩软化后各测点应力增长幅值的不同，其中测点1增长幅度较小，测点4稍大，而测点7较为明显。究其原因主要是由于测点1处于洞室正下方，以测区吸水软化为分界点，对应的围岩应力变化值为临界值。大部分围岩应力的增长出现在围岩软化前，这主要包括洞室两侧区域的围岩材料吸水膨胀，对衬砌产生挤压作用，限制衬砌变形，使得围岩压力增大，围岩应力变化值也进一步增大。但在增大的过程中同时伴随衬砌的竖向变形，产生卸荷效应，导致一部分压力有所丢失。测区软化后，其下部围岩膨胀效应不明显，围岩应力出现负增长，最终稳定值也小于临界值。测点4处于洞室右侧水平位置，其分界点前后期的围岩增长幅度基本保持一致，最终稳定值稍小于临界值。测点7处于洞室顶部，洞室两侧围岩吸水膨胀挤压衬砌对围岩压力的增长作用出现在测区软化后，所以其分界点前后期围岩增长幅度主要表现为前期增长幅度小，后期较大，且最终稳定值大于临界值。另外，从图中可以看到处于不同位置的三个测点在分界点的前期及后期围岩应力增长的时间历程不同，测区软化的时间先后也各不相同。说明在降雨入渗过程中，时间效应和空间效应的存在。

从图8中可以看到，降雨过程衬砌变形大致可以分为临界点前的缓慢增长和急剧增长，临界点后的变形缓解和微增长四个变形发展阶段。其中第1、2、6、7四个测点衬砌变形表现为外侧受压，而第3、4、5三个测点表现为外侧受拉。各测点应变变化值在拱效应消失围岩产生下塌位移时都出现不同程度的压迫性增长，而当洞室两侧围岩吸水膨胀后增大趋势得到一定缓解甚至减小。再当水渗透到洞室下部围岩时，衬砌变形将出现微增长，增大幅度不明显，个别测点继续保持减小趋势。

4.2失水过程

在该过程中，采集数据共336组，其结果如图10、图11、图12所示。

图10　风干过程围岩各测点应力－时间关系曲线

从图10可知，风干过程各测点围岩应力变化趋势各不相同，由于围岩水分风干并非从上至下，而是从模型前侧面整体风干，以至于时间效应不明显，规律性较差。但从整体上还是可以将围岩应力变化分为两部分，即围岩失水收缩衬砌和围岩接触压力下降导致应力值减小，以及土体收缩产生收缩应力使得土体对土压力盒的握裹力增大导致监测值增大，这两部分同时存在且相互交替的处于发展变化中。

图11　风干过程衬砌各测点应变－时间关系曲线

图12　风干过程围岩关键测点应力－时间关系曲线

为了便于观察，同样将图10中第1、4、7三个关键测点的应力-时间关系曲线单独绘出，见图12。从图中可清晰地看到，测点1前期应力值增长较慢，后期较快。而测点7则正好相反，前期快后期较慢。测点4总体增长幅度较小，应力-时间曲线呈波浪交替式发展，是典型的衬砌围岩接触应力减小和围岩收缩应力增大双重交替作用的结果。

在衬砌应变方面，见图11，各测点应变-时间关系曲线的发展趋势及变化规律各不相同。但在总体上风干过程各测点应变的发展趋势和降雨过程正好相反，其中第1、2、6、7四个测点为外侧受拉，第3、4、5三个测点为外侧受压。说明衬砌变形在恢复，意味着风干过程围岩收缩是对衬砌的一种卸荷过程。

总体而言，不管是围岩应力还是衬砌应变的变化，都不是单一因素而导致的变化问题，而是在多重因素共同影响下的发展变化过程。它既包括时间效应的影响又包括空间效应的影响，同时还兼具有各种初始状态的影响，如初始含水率及初始干密度等。

5　结论及展望

通过对膨胀围岩隧道物理模型的干湿循环试验，得出了降雨入渗围岩吸水及蒸发风干围岩失水两个过程的围岩应力-时间关系曲线及衬砌应变-时间关系曲线，分析了围岩压力及衬砌变形的发展变化趋势。

试验认为在吸水过程中大部分测点的围岩应力都经历增长、减小、不同速率的再增长3个阶段，而衬砌变形则经历缓慢增长、急剧增长、急剧减小、微增长4个阶段;在失水过程中，从整体上可以将围岩应力变化分为两部分，即围岩失水收缩衬砌和围岩接触压力下降导致监测值减小以及土体收缩产生收缩应力导致监测值增大。另外，处于不同位置的测点，其围岩压力和衬砌变形的变化趋势及时间先后各不相同，说明了在干湿循环过程中，时间效应和空间效应的存在。

试验虽得出了一定的规律，但存在一些不足之处。如试验未能建立围岩胀缩时和含水率之间的对应关系及试验只对围岩进行了一个循环的干湿模拟。但是，得出的结论还是具有一定的理论参考价值。在今后的研究工作中，应设置含水率监测设备，对围岩含水率进行实时监控;增加干湿交替次数，以得到多次干湿交替下的胀缩规律;增大模型箱及衬砌刚度以限制围岩的膨胀变形。

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Research on Mechanical Behaviors of Swelling Wall Rock Tunnel under Dry-wet Alternate Conditions

YANG Jun-ping1，2，WANG Zhan-yi1，TANG Wei1，LI Sheng-nan1
(1.College of Civil Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China; 2.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:With the expansive soil in Nanning，Guangxi area used as the material of surrounding rock，an indoor physic model of swelling wall rock tunnel is established.The relation curve of surrounding rock stress-time and that of tunnel lining strain-time are obtained by means of drying-wetting test of the tunnel model under the condition of surrounding rock water absorption and water loss.The test results indicate that the surrounding rock pressure at most measuring points experiences such three phases as increase，decrease and increase again in different rates in the process of water absorption，while the deformation of tunnel lining is subject to such four stages as slow growth，dramatic increase，dramatic decrease and slight growth.In the process of water loss，the changes of surrounding rock pressure，on the whole，can be divided into two categories:one is the decrease of surrounding rock stress caused by the decrease of contactbook=92,ebook=95pressure of the lining and the surrounding rock due to water loss and surrounding rock shrinkage，another is the increase of monitoring values caused by the shrinking stress due to shrinking forces.Further more，the mechanism of the changes is analyzed，demonstrating the existence of time effect and space effect and providing some theoretical references for structure design and construction optimization of such tunnels.

Key words:Swelling wall rock; Tunnel model; Drying-wetting cycle; Surrounding rock pressure; Deformation of tunnel lining

作者简介:杨军平(1971—)，男，副教授，2008年毕业于广西大学，工学博士，硕士研究生导师，E-mail:392696281@ qq.com。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51368014)

收稿日期:2015-08-12

文章编号:1004-2954(2016) 03-0091-06

中图分类号:U451

文献标识码:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.020