軟巖的工程性質(zhì)及蠕變特點(diǎn)

摘要:軟巖具有蠕變特點(diǎn),即強(qiáng)度隨時(shí)間下降。本論文中，采用cundall提出的可精確模擬塑性流動(dòng)和大變形的有限單元方法建立在地面壓力作用下由于軟巖塑性變形產(chǎn)生的隧道襯砌強(qiáng)度下降的模型，由佐藤提出的通過(guò)建立由于蠕變?cè)斐傻能泿r強(qiáng)度下降和評(píng)價(jià)塑性區(qū)域的模型方程，被運(yùn)用于研究在不同時(shí)間、不同加固方法的各種效應(yīng)。關(guān)鍵詞：蠕變變形預(yù)測(cè)加固方法隧道1．介紹軟巖特點(diǎn)不僅包括應(yīng)變軟化和擴(kuò)張，而且包括蠕變和強(qiáng)度下降，在日本，大部分公路隧道和鐵路隧道建造在軟巖中，其中有些隧道在襯砌修建后產(chǎn)生由于蠕變?cè)斐傻淖饔迷谒淼酪r砌塑性區(qū)上的地面壓力,就象推動(dòng)周圍巖土體進(jìn)入隧道內(nèi)側(cè)一樣。這種地面壓力叫做塑性壓力(日本土木工程師學(xué)會(huì),2003)，能造成隧道襯砌變形,裂縫和剝落破壞。研究表明，這種塑性壓力源于在挖掘區(qū)的塑性區(qū)域的蔓延和土體力學(xué)性能的變化，即地面塑性領(lǐng)域力學(xué)性質(zhì)的變化。此外，列舉出對(duì)于使隧道襯砌破壞的另一個(gè)因素。在這種情況下，加強(qiáng)隧道變形的監(jiān)測(cè)，如控制輪廓內(nèi)空間變形，并確保必要的內(nèi)截面尺度。因此，有必要預(yù)測(cè)水平變形，有必要進(jìn)行維修工作，變形位置的確定，在設(shè)計(jì)階段最好的對(duì)策是作好量測(cè)工作。經(jīng)過(guò)加固工作后，也需要勘測(cè)它內(nèi)部隨時(shí)間的變形效應(yīng)．上面提到的有效的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，所需機(jī)制的目標(biāo)現(xiàn)象非常好理解。因此，有必要建立適當(dāng)?shù)牡孛婧鸵r砌的力學(xué)模型，并基于這種模模型來(lái)執(zhí)行數(shù)值分析，可以準(zhǔn)確地再現(xiàn)真實(shí)隧道的力學(xué)性能。但是，過(guò)去的研究結(jié)果，不僅受到地質(zhì)資料的限制，也很少用于變形預(yù)測(cè)。在這項(xiàng)研究中，從襯砌的預(yù)防和保護(hù)出發(fā)，重點(diǎn)放在塑性壓力上，對(duì)考慮地面強(qiáng)度下降，蠕變和襯砌強(qiáng)度下降的隧道變形進(jìn)行了研究。它還旨在發(fā)展支護(hù)體系，在有關(guān)加固工作的判斷基礎(chǔ)上，改變內(nèi)空間位移隨時(shí)間變化而獲得的數(shù)值分析。雖然只是一些細(xì)節(jié)部分，這種方法仍能完整預(yù)測(cè)變形，在未來(lái)這一方法可以幫助工程師找出合理管理和維修的期限。2．強(qiáng)度下降的蠕變模型隧道開挖可視為一個(gè)低速的平穩(wěn)過(guò)程，因此,開挖后源于蠕變的變形,也被認(rèn)為是主要受蠕變影響的破壞，蠕變破壞是一種在一定時(shí)間內(nèi)、在一個(gè)固定荷載作用下變形逐漸進(jìn)行的一種破壞現(xiàn)象。這一現(xiàn)象也可看作是一個(gè)強(qiáng)度隨時(shí)間變化而降低的過(guò)程。巖體的框架結(jié)構(gòu)破壞是一個(gè)(尤其裂紋等)由于水分而逐步腐蝕(應(yīng)力腐蝕)，最后破壞的過(guò)程。隧道的大變形被認(rèn)為是基于這種機(jī)制而造成破壞的過(guò)程，佐藤和龜村等推薦以下方程來(lái)描述巖石強(qiáng)度的蠕變過(guò)程，如下(佐藤,87-88紘,N從龜村,k.1983).這里,λ是一個(gè)常數(shù),表明強(qiáng)度惡化速率的常量.R是在這種壓力狀態(tài)下破壞線的漸近線。盡管如此，在這個(gè)式子中，可以看出，蠕變僅僅出現(xiàn)在在強(qiáng)度下降的時(shí)段，僅僅考慮強(qiáng)度的蠕變效應(yīng)，因此，破壞作用采用一個(gè)強(qiáng)度下降的混合速度。是一個(gè)空間量，包括巖石構(gòu)造或避免環(huán)境腐蝕的破壞值。在控制水分含量壓縮測(cè)試中，仿真結(jié)果表明：由于水分含量的增加而強(qiáng)度下降，這是預(yù)測(cè)的依據(jù)。圖(1)顯示了在無(wú)恒載荷試驗(yàn)下破壞時(shí)間的預(yù)測(cè)。從巖石測(cè)試中證明，由于壓縮指數(shù)升幅低于抗壓強(qiáng)度，造成所需的時(shí)間的增加。而方程式(1)在一定程度上也表達(dá)了這樣的傾向。圖1.應(yīng)力比和分隔時(shí)間，無(wú)恒載荷試驗(yàn)3.選擇加固方法對(duì)于隧道的加固方法，抑制襯砌內(nèi)在空間位移的進(jìn)程并確保必要的內(nèi)部斷面(建筑限制)是最重要的要求，一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)加固工作后，通過(guò)測(cè)量變形隨時(shí)間的變化確定補(bǔ)強(qiáng)效果，所以，很需要在設(shè)計(jì)階段探討抑制位移的效應(yīng)的方法。本文考慮補(bǔ)強(qiáng)效果、可操作性、經(jīng)濟(jì)，從不同的應(yīng)對(duì)方法中選取內(nèi)襯法、內(nèi)加固工程(碳纖維薄板法,鋼板聯(lián)合法)以及回填法分析對(duì)象。當(dāng)選擇一個(gè)合適的方法時(shí)，重要的是要詳細(xì)的調(diào)查和研究變形的原因，地面壓力、結(jié)構(gòu)和隧道襯砌等，并深入了解這些方法的特點(diǎn)。每一種方法的概述如下：(1)內(nèi)襯法內(nèi)襯法已作為目前一種應(yīng)對(duì)變形隧道的工法。內(nèi)襯法常被用來(lái)應(yīng)對(duì)由于滲漏、凍害和地面壓力襯砌破壞，噴漿法是內(nèi)襯加固方法的一種，根據(jù)慣例，用薄噴砼，但這帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，就是混凝土與襯砌粘合和噴漿不足，而且，噴漿材料易于破壞，脫落事故經(jīng)常發(fā)生。最近，噴射厚度已降至約10mm大小，并鋪設(shè)鐵絲網(wǎng)和使用補(bǔ)充高分子的材料，這能有效抵抗彎矩和防止脫落。但是，由于耐久性等，這些已鋪好的材料約10年后就不能用了。從這些觀點(diǎn)中，鋼纖維混凝土，是目前使用的趨勢(shì)。2)碳纖維薄板加固方法碳纖維薄板加固方法使用很薄的碳纖維板,因此，在眾多的應(yīng)對(duì)襯砌惡化的方法中，它減少的內(nèi)部截面最小。這種方法非常簡(jiǎn)單，不需要重型機(jī)械等，它只需要幾個(gè)工人，建造周期短。這種方法的材料重量輕，易于運(yùn)輸和建造。此外，基于纖維強(qiáng)度特性，這種方法可以有效抑制膨脹的彎曲裂縫，因此可以取得較高的實(shí)用加固效應(yīng)。因?yàn)檫@種方法僅使用光纖，不會(huì)產(chǎn)生銹蝕。但是，應(yīng)該看到，這種方法不好的地方是不能抑制壓縮力，其材料都是易燃物品，而當(dāng)混凝土強(qiáng)度小是造成破壞的原因時(shí)，這種方法不能起到很好的效果。一般來(lái)說(shuō),隧道層數(shù)是徑向和軸向之一，同時(shí)兩層重疊，在相互正交的方向。(3)鋼板聯(lián)合法鋼板聯(lián)合法是在襯砌表面打下鋼板，以提高襯砌的強(qiáng)度。這種方法，有襯砌所需的幾個(gè)鋼板和錨桿應(yīng)安裝的固定鋼板。因此，與碳纖維薄板法相比雖然失去內(nèi)截面，與其他加固方法相比較是比較小。這種方法不僅能有效地防止脫落，而且優(yōu)勢(shì)在于以鋼板支持襯砌內(nèi)部拉應(yīng)力，并抑制開口彎曲裂縫。然而，應(yīng)注意相比碳纖維薄板，鋼板是十分重的，這就限制了其可用性，假如混凝土強(qiáng)度小，其效果就會(huì)下降，而且要定期刷油漆,以防止鋼板腐蝕。鋼板還是導(dǎo)電體.。一般來(lái)說(shuō)，因?yàn)椴⒉恍枰邚?qiáng)度鋼材用于加固，ss400建議用環(huán)氧樹脂粘結(jié)鋼板。(4)回填法建造的隧道襯砌與天然地面粘貼緊密是非常重要的，這可使負(fù)載均勻。然而，地下隧道的修建廣泛采用新奧法的板樁法使巖石襯砌之間孔洞常常存在，在這些隧道中，部分襯砌有不均勻的荷載，因?yàn)檫@些空隙和路基不能產(chǎn)生足夠的應(yīng)力，因此，有必要采用回填方法作為一項(xiàng)基本對(duì)策。在一些較新的隧道中采用暗挖法代替鋼板樁法，因?yàn)橄啾劝鍢斗ǎ瑖姖{使用的混凝土能確保很好的粘附巖土體和襯砌的空洞，所以很少需要回填。然而，在初始階段，除暗挖外，還有一些隧道，采用板樁，按施工方法可能產(chǎn)生襯砌與噴混凝土之間的空隙。許多情況下，在空洞上進(jìn)行充填的條件是很難把握的。據(jù)調(diào)查，在一個(gè)適當(dāng)?shù)膮^(qū)間調(diào)查和空隙范圍的規(guī)模是一個(gè)很好的方式。最近，一些非破壞性的調(diào)查技術(shù)，可有效探測(cè)廣闊的范圍，如已用于實(shí)踐的電磁波(地面探測(cè)雷達(dá))、超聲波。注漿材料所扮演的角色，是均勻地傳輸作用在襯砌上的地面壓力。因此，有必要使用灌漿材料填補(bǔ)這一空隙使地面和襯砌可以緊密地結(jié)合起來(lái)，而作用效應(yīng)可以充分傳遞，灌漿材料應(yīng)根據(jù)空隙大小和水份條件等仔細(xì)選擇。一般來(lái)說(shuō)，水泥是目前常使用的灌漿材料。4.考慮蠕變的變形分析4.1解析模型及變形仿真程序在這一章中，將介紹考慮巖體強(qiáng)度蠕變和襯砌破壞的隧道變形模擬。在這里，以假定建在軟巖中、復(fù)蓋100米的公路隧道為仿真模型。噴砼和鋼拱支護(hù)已建好后，不起支護(hù)作用的洞壁巖體應(yīng)力釋放30%。那么，應(yīng)力釋放達(dá)到95%時(shí)，襯砌才具體起作用，而最后應(yīng)力100%釋放。根據(jù)日本公路公共公司的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)地面假定為軟巖并基于Mohr-Coulomb屈服條件而被歸結(jié)為完全彈塑性體件。模型分析見下圖2。圖2.數(shù)值分析模型(表土79.31%100)它假定隧道建成通車后強(qiáng)度立即下降。基于方程(1)描述，在最后一章,方程(3)可近似按遠(yuǎn)期差異進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。這里,λ代表強(qiáng)度下降速度，假定為0.0333(兆帕/年)。支護(hù)和襯砌性能規(guī)范由日本公路公共公司制定。分析方法采用有限差分法(cundall，甲和董事會(huì)米提出)，它能穩(wěn)定地模擬塑性區(qū)不斷擴(kuò)大、襯砌有限變形或倒塌過(guò)程。為了滿足方程(3)中的每個(gè)T時(shí)間力學(xué)平衡，當(dāng)調(diào)整時(shí)間間隔時(shí)，時(shí)間整合被優(yōu)化。結(jié)果，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)源于蠕變的、滿足Mohr-Coulomb屈服條件的分析與模型。在(1)非支持(2)襯砌彈性體,(3)襯砌破壞的情況下，分析應(yīng)該考慮內(nèi)空間位移的變化。在這項(xiàng)研究中，通過(guò)采用分割襯砌成有限個(gè)單元的方法建立襯砌發(fā)生裂紋和剝落的模形。據(jù)推斷，分布式裂縫將降低混凝土剛度的1/70?；谝陨蟽牲c(diǎn)，對(duì)由于建造加固時(shí)間差異而產(chǎn)生的不同位移(10年后、20年后、30年后)進(jìn)行了比較。在所有的案例分析中，位移被定為從開始挖掘起的數(shù)值，地面支護(hù)性能、襯砌加固列于統(tǒng)計(jì)表1。4.2回填開放分析模型的概述在回填的施工中，拱頂背部開放回填角度定為60°和開放回填深度定為5cm。在隧道混凝土和鋼結(jié)構(gòu)襯砌支撐已經(jīng)建成后，開始進(jìn)行回填，并在此基礎(chǔ)上的建立回填分析模型,挖掘過(guò)程如圖3.4.3變形分析結(jié)果與思考(1)無(wú)加固工作的案件分析案例總結(jié)統(tǒng)計(jì)表2。在無(wú)支護(hù)條件下，塑性區(qū)擴(kuò)大，造成強(qiáng)度隨時(shí)間變化下降。(案例1)列圖4.由此可以看出，隨著時(shí)間的推移，隧道徑向強(qiáng)度下降，同樣隨著這一進(jìn)程塑性區(qū)擴(kuò)大。隧道周圍強(qiáng)度下降的進(jìn)程符合實(shí)際情況。圖3.襯砌背部開放模型.圖5顯示無(wú)支護(hù)狀態(tài)時(shí)內(nèi)空間變形的變化(案例1)，襯砌退化是不考慮(案例2)，襯砌隨著時(shí)間破壞(案例3)的。在這項(xiàng)研究中，襯砌的破壞是由于裂縫的分布降低了混凝土的剛度。圖5，無(wú)支護(hù)狀態(tài)(案例1)，50年后，變形增加了約40mm，襯砌被假設(shè)為一個(gè)彈性體（案例2），位移趨勢(shì)為0。在另一方面，襯砌假設(shè)為可惡化的，（案例3）位移約26mm，其中，雖然抑制作用很明顯，但位移還是隨時(shí)間不斷增加。在目前大多數(shù)被應(yīng)用于實(shí)踐的分析中，襯砌被假定為彈性體，以致僅僅地面隨時(shí)間破壞。因此，這些分析結(jié)果幾乎沒(méi)有位移上升很大的。很多案例中，隧道竣工后，內(nèi)部空間產(chǎn)生變形。考慮地面和襯砌的共同作用是有必要。(2)有加固工作的案例比較不同施工時(shí)間的加固工作的加固效果和不同的施工時(shí)間由于襯砌表面和拱頂位移造成的內(nèi)部空間位移。在這里，用考慮了地面和襯砌惡化的案例3和案例4，估計(jì)在隧道修建后加固工作進(jìn)行10年、20年、30年后的條件。這里用到的加固方法包括以彈性體為模型的內(nèi)襯法和碳纖維布方法以及根據(jù)莫爾-庫(kù)侖回填挖掘模型的回填法。在這里，內(nèi)襯法和碳纖維布的方法不考慮襯砌破壞。內(nèi)襯法和碳纖維布方法在不同時(shí)間的加固工作的位移比較分別列于圖6、7。對(duì)比案例3中位移S10的位移為80mm，修建10年后，約60毫米，即得到抑制作用約20mm的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果還表明了隧道中加固工作滯后會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)部空間位移的趨勢(shì)。碳纖維薄板法也有類似的趨勢(shì)，盡管如此，在這個(gè)案例中內(nèi)襯砌法沒(méi)有明顯的表現(xiàn)出這個(gè)效應(yīng)。因?yàn)樵谶M(jìn)行了加固工程10年后位移僅為5mm，如果只考慮收縮作用，內(nèi)襯法能起到更好的的作用。圖8顯示了不同的時(shí)間進(jìn)行回填后，隧道內(nèi)深度5cm、角度為60°的回填開口的變形比較。對(duì)于加固工作實(shí)施十年后的M10，約抑制了25mm的變形。不過(guò)，20年后，加固方法幾乎無(wú)抑制作用。從這些結(jié)果來(lái)看，較早地應(yīng)用回填法可以起到很好的效果。圖9顯示了通過(guò)使用內(nèi)襯砌法作為回填法的一種替代方法的施工時(shí)間的位移比較。結(jié)果顯示了一個(gè)類似于圖5的趨勢(shì)。這個(gè)趨勢(shì)證明了內(nèi)襯方法回填開口中不同條件的存在。如果是并用回填法，可以出現(xiàn)高補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)。5.結(jié)論在實(shí)踐中，具體地了解地面壓力等變形因素，預(yù)測(cè)地面壓力的位置、方向和強(qiáng)度是非常困難的。基于這樣的背景下，本研究進(jìn)行了考慮巖體和襯砌強(qiáng)度下降的變形仿真，并在加固施工中運(yùn)用這些分析結(jié)果。此外，通過(guò)比較這些結(jié)果，獲得能夠檢驗(yàn)不同加固方法效應(yīng)的支護(hù)體系因素。本研究的結(jié)論和成果敘述如下：(1)其他許多研究假定襯砌是位移極其有限的彈性體。我們的研究認(rèn)為因?yàn)橐r砌破壞，位移可能隨時(shí)間增長(zhǎng)，這更接近實(shí)際情況。(2)加固工作約在10年內(nèi)能起到很好的效果。尤其是回填法，在其應(yīng)用20年后，效果將難以發(fā)揮。因此，有必要盡早地進(jìn)行加固工作。(3)在