膨胀围岩隧道不同含水率的数值分析

杨军平 赵卫洁 赵文兰

摘 要：为了探究膨胀围岩隧道在不同含水率条件下隧道开挖过程中膨胀围岩的受力情况。文章以广西某高速公路膨胀围岩隧道项目为依托工程，结合本课题组相似模型试验，利用大型有限元软件ANSYS的温度应力场模块和结构分析模块的耦合作用来模拟含水率变化的条件下，膨胀岩隧道开挖的力学性态。数值分析结果显示：不同含水率条件下，随着含水率的增大，围岩位移，围岩应力增大，随着含水率越接近饱和含水率，围岩位移、应力增大的梯度越大；由围岩位移、应力云图可知拱顶、两侧拱腰拱底两侧的位移和应力变化最大，出现应力集中，为设计施工中薄弱点，要重点监测。

关键词：膨胀围岩；耦合作用；含水率变化；围岩位移；围岩应力

中图分类号：U451 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）10-0001-05

Abstract： In order to investigate the stress of expansive surrounding rock in the process of tunnel excavation under different moisture contents， the stress of the expansive surrounding rock tunnel is studied. Based on the project of expansive surrounding rock tunnel of a highway in Guangxi， this paper combines the similar model test of our group in research. The mechanical behavior of expansive rock tunnel excavation is simulated by the coupling of the thermal stress field module and the structure analysis module of the large-scale finite element software ANSYS. The numerical results show that with the increase of moisture content， the displacement of surrounding rock and the stress of surrounding rock increase with the increase of moisture content， and the gradient of displacement and stress of surrounding rock increases with the moisture content approaching saturated water content. According to the displacement and stress cloud map of surrounding rock， the displacement and stress change of arch roof and arch bottom of both sides of arch waist are the biggest， and the stress concentration appears， which are the weak points in design and construction and it is necessary to focus on monitoring.

Keywords： swelling surrounding rock； coupling action； moisture content variation； surrounding rock displacement； surrounding rock stress

引言

膨脹性岩土是一类在水的作用下发生物理化学变化，产生体积膨胀和物性软化的一类特殊地质体。这类围岩强度低，岩土中黏土矿物含量很高，围岩与水作用强烈，吸水能力强，且具有很大塑性，围岩分级属于软岩类。在我国膨胀岩土的矿物成分主要是蒙脱石，伊利石居其次。由于膨胀性岩土特殊的力学机制，在工程建设中常常带来严重的灾害，例如：地基塌陷、地下硐室开裂、隧道坍塌等。因此，研究在不同含水率条件下膨胀围岩隧道施工性态具有重大的现实意义。

近年来，研究膨胀性围岩在遇水条件下的力学形态取得了一定的成果，但是这些成果都建立在施工实时监测数据分析和室内特定的相似模型实验基础上。当工程较大，实时监测数据会有一定的局限性；室内模型试验是建立在一定的环境条件下，与实际工程也存在很大的出入。受到ANSYS的温度应力场[1]的启发，许多学者利用有限元软件的温度应力场来模拟湿度应力场，有圆形硐室遇水作用的湿度应力场问题、膨胀软岩洞室支护效应的有限元分析以及膨胀土边坡的多场耦合的数值模拟等[2-4]，都得出了与解析解相一致的应力应变变化规律。

本文采用有限元软件ANSYS的温度应力场模块，考虑遇水环境对隧道围岩的作用，在不同线膨胀系数的条件下，探讨了膨胀性隧道围岩的应力和位移变化的规律，为膨胀围岩隧道的设计和施工提供必要的理论指导。

1 膨胀岩土膨胀原理

膨胀岩土主要划分为两类：一类是含有硬石膏、钙芒硝等盐类膨胀性矿物的沉积岩；一类是含有蒙脱石、伊利石等黏土性膨胀矿物的沉积岩类[5]。本文我们研究含蒙脱石和伊利石这种亲水矿物的膨胀岩土，这类岩土由于亲水性矿物的存在，遇水条件下蒙脱石、伊利石等黏土性矿物与水发生物理化学反应，促使岩土晶层间距扩张，颗粒间隙变大，从而使膨胀岩土产生体积膨胀。

根据膨胀岩土的这种特性可知，水是其发生膨胀性的充分条件，也是影响其强度和应力场的主要因素。R.Vergara[6]对泥质膨胀岩不同的含水率进行三轴试验，得出随着含水率的增加，强度和刚度都有很大程度的降低，含水量越高，泊松比越低，刚度越大，随着湿化程度的增加，剪切模量降低，体积模量增大，膨胀性增加；S.M[7]通过AMS和石灰处理的BCS样品，研究了干湿循环对化学穩定性膨胀土膨胀性能的影响；周葆春[8]采用固结和三轴试验对不同水化状态下的压实度为90%的荆门膨胀土进行试验，得出不同水化状态的应力应变特征。对膨胀土的研究含有很多，本文在这些研究的基础上对围岩为膨胀岩土的隧道在不同含水率环境中的力学性能进行数值分析，用以指导膨胀围岩隧道的设计和施工。

2 湿度应力场的数值模拟方法

本文考虑含水率对膨胀围岩的力学性能的影响，引进缪协兴的湿度应力场理论[9]，利用有限元软件ANSYS的温度应力场模块来进行膨胀围岩的湿度应力场变化下的位移应力变化。之所以可以用温度应力场来模拟湿度应力场，是因为膨胀岩土因为含水率变化产生膨胀的原理和物体温度变化产生体积膨胀的机制具有一定的相似性。温度和湿度应力场的控制微分方程具有明显的相似性，其相似性表现在温度变化产生的应变可表示为

εt=β△t （1）

式中：εt为温度变化产生的应变；β为温度线膨胀系数；△t为温度变化量。而含水率变化产生的应变表示为

εω=α△ω （2）

式中：εω为湿度变化产生的应变；α为湿度线膨胀系数；△ω为湿度变化量。在应变相等的情况下，有

β=α△ω/△t （3）

这样，β，△t即可转化为湿度场参数对应的温度场参数。

本文数值分析，ω=0表示原始含水率，对应温度变化t=0℃；ω=1表示饱和含水率，对应温度变化t=100℃。中间参数采用插值法。

3 膨胀围岩隧道数值模拟

3.1 模型参数和模拟方案

模拟隧道以广西某高速公路膨胀围岩隧道项目为背景，隧道围岩为Ⅳ级，隧道洞跨是13m，隧道埋深为42.8m，隧道为典型的单洞双车道，采用的隧道支护结构为曲墙式带仰拱复合衬砌，隧道采用C25钢筋混凝土为衬砌材料，衬砌厚度为30cm，隧道拱顶到拱腰布置？准25锚杆。隧道围岩和衬砌材料的物理力学参数见表1。

表1 数值分析模型计算参数

由于隧道结构的纵向尺寸远大于横向尺寸，因此可忽略其纵向位移和应力应变变化，其受力状态可看成平面应力应变状态。计算软件采用ANSYS大型有限元软件二维有限元模拟。计算选用DP理想弹塑性材料模型，岩体采用PLANE42，初期支护的锚杆采用LINK1单元，钢筋混凝土喷层和二次衬砌采用BEAM3单元，都假设为线弹性材料。根据ANSYS模拟计算范围确定原则，隧道周围大于5倍洞跨以外的围岩范围受到围岩施工的影响几乎可以忽略不计。所以本模型计算范围取3～5倍洞跨，垂直方向：隧道到底部边界取65m，隧道拱顶至地面为41m，水平方向长度为洞跨的8倍。模型约束，隧道左右边界采用水平约束，上边界采用自由边界，下边界采用竖直方向约束。

本文模拟了膨胀围岩隧道在不同线膨胀系数大小条件下支护结构和岩体之间的相互作用及在台阶开挖条件下围岩应力应变的变化规律，使用了ANSYS的单元“生死”功能[10]来进行有限元数值分析。所谓将模型单元“杀死”，就是将该单元的刚度矩阵乘以一个非常小的因子，其单元荷载和质量、泊松比等其他参数也变为0，在数值分析中，“死”单元不能再发挥作用，而“激活”单元即将已经杀死的单元恢复到它原来的刚度和质量。

主要模拟步骤为：（1）首先利用ANSYS的温度场模块来模拟模型的湿度场应力；（2）建立整个计算模型和支护结构模型；（3）划分网格，围岩部分划分加密；（4）“杀死”支护结构单元，施加重力荷载，完成自重应力场的模拟：（5）“杀死”所有洞室内单元，模拟隧道全断面开挖；（6）“激活”支护单元，将（1）中的湿度应力作为体荷载施加在模型上，模拟膨胀岩隧道开挖全过程。

3.2 模拟结果分析

通过课题组对膨胀岩土的试验研究发现，在含水率为23%左右膨胀岩土达到饱和状态，所以本文模拟含水率分别为ω=0、ω=6%、ω=18%和ω=23%状态下的围岩位移、应力变化规律。膨胀围岩的含隧道围岩支护开挖后，在不含水条件和不同含水条件下，由隧道围岩的x方向位移变化状态分布图1（a，b，c，d）可知，为便于结果分析，现将结果整理表2，由表2分析得随着含水率的增大，隧道围岩在x方向的位移逐渐增大，ω=6%比ω=0增大了23.36%；ω=18%比ω=6%增大了1.33%；ω=23%比ω=18%增大了2.03%。ω=0和ω=6%、ω=6%和ω=18%，虽然后者相对前者，含水率比例增大了三倍，但是x方向的位移增大的比例只有前者的1/20，分析可得，膨胀岩土在一开始持水条件软化程度最大，强度降低程度也最大，随着含水时间的增加，强度降低幅度减小。可得，膨胀围岩的含水率越高，围岩的膨胀越充分，膨胀围岩的位移越大。此外，有不同含水率条件下x方向的位移云图可以看出，围岩的最大位移都发生在拱顶和拱底两侧，这也是施工中的薄弱环节，在实际工程中要给予一定的重视。

由表2可知，随着含水率的增大，围岩的竖向位移递增，拱顶和拱底的最大沉降量增大，ω=6%比ω=0增大了16.14%；ω=18%比ω=6%增大了80.27%；ω=23%比ω=18%增大了186.01%。由递增的坡度逐渐变大可知，含水率越高，对膨胀围岩隧道的影响越大。由x方向位移随含水率递增的梯度和竖向位移随含水率递增的梯度对比显示，隧洞两侧的支护施加要及时，施工中为了增加围岩的稳定性，应在整个拱周施加锚杆。在膨胀围岩施工过程中一定要做好排水防水工作，尽量减少对工程造成的损失。

如前所述，含水率的变化对隧道围岩的位移变化有显著的影响。同样，不同含水率的变化对膨胀隧道围岩的应力也有明显的影响。

在不同含水率条件下，隧道围岩x、y方向的应力随含水率的增加呈现递减的趋势，这主要由于随着含水率的增加，隧道围岩岩性软化程度加深，围岩强度持续降低的结果，也预示着随着围岩含水率的增加，围岩稳定性也在大大降低。

4 结束语

利用有限元软件ANSYS的热-应力耦合场分析，对不同含水率条件下隧道围岩的应力和位移变形的分布规律进行了系统的分析，得出以下结论：（1）通过二维有限元分析可看出，隧道围岩拱顶、两侧边墙和拱脚容易出现应力集中，是施工的薄弱环节；遇水环境下，拱顶下沉量、两侧边墙水平位移和拱底变形量都随ω的增大而增大，如果考虑到隧道围岩的流变效应，这种影响将更加明显。（2）含水条件下，膨胀围岩隧道的围岩应力随着ω增加而减小，原因是含水条件下，膨胀岩土发生了一定的物理和化学变化，导致隧道围岩岩性软化，强度降低。

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