小净距隧道中夹岩抗剪强度研究.pdf
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1、小净距隧道中夹岩抗剪强度研究邱 威(江西理工大学 土木与测绘工程学院江西 赣州)收稿日期:作者简介:邱威()男福建龙岩人硕士主要研究方向:隧道工程摘 要:中夹岩是小净距隧道的主要承载构造及特色区域以发挥岩体自承能力为主起着至关重要的作用 中夹岩在承载能力上体现为抗压性能和抗剪性能其抗剪性能是维持稳定保证其不发生剪切破坏的关键 因此基于中夹岩分区理论以及中夹岩剪切破坏模型得出对中夹岩的抗剪性能的评估标准 根据基于破裂面的中夹岩剪切破坏模型极限剪切力与抗滑力的关系是中夹岩发生剪切破坏的本质 中夹岩抗剪性能的评估应从岩土体本身的抗剪能力出发进而考虑应力偏向对中夹岩剪切力作用的影响并提出中夹岩剪切的根
2、本原因与应对策略关键词:小净距隧道中夹岩抗剪强度应对策略中图分类号:文献标志码:文章编号:():/引 言小净距隧道在双洞隧道及多洞隧道领域因小净距而具有结构和造价优势中夹岩自承能力的发挥程度依靠其岩土体性质和受力情况所决定 在许多小净距隧道工程中由中夹岩产生破坏而失稳的情况时有发生因此中夹岩区域在施工过程中需要在保证中夹岩抗压性能的同时预防产生剪切变形 中夹岩内部主应力方向的变化是导致剪切作用以及应力集中现象产生的根本诱因因此有不少学者对中夹岩区域的力学形态作了相关研究 刘芸等将中夹岩进行分区并探究了中夹岩在不同加固组合方式下的力学形态研究表明不同级别的围岩下采用各种加固方法的加固效果有所差别
3、 李享松等建立了中夹岩的力学简化分析模型通过推导得出中夹岩破裂面上的下滑力和抗滑力的计算方法并采用安全系数作为中夹岩稳定的判据 章慧建等以深圳地铁某区间盾构隧道为背景针对小净距双孔盾构隧道中夹岩的三维应力状态引入剪切屈服准则与拉伸屈服准则结合数值模拟计算和离心模型试验对上下重叠和水平并行两类小净距隧道的中夹岩力学特征进行了深入研究 等研究了中夹岩中最大主应力的变化规律中夹岩顶部垂直应力峰值与中夹岩顶部主应力峰值之间的区别以及塑性区交互和重叠的辨别方法蔡闽金以中夹岩第一主应力为力学指标双向受力下的极限应力为稳定性指标建立了中夹岩力学模型及其稳定性评价方法 陈皓等结合高速公路工程项目以中夹岩的力学
4、特征探讨中夹岩在加固前后的合理净距尽管已有学者对小净距隧道中夹岩有比较详尽但对中夹岩本身的承载能力方面却是缺少研究然而目前还存在以下几个方面的问题:中夹岩区域的承载能力阐述并未详细对隧道中夹岩及整体的稳定性判据仍有不足仅能通过数值模拟和实际监测手段对隧道的应力应变规律进行分析未得到相应的强度理论体系综上所述可通过对中夹岩的力学分析对中夹岩的承载能力进行评价因此本文在文献 的基础上进行综合和改进构建中夹岩抗剪强度理论模型 在此基础上对中夹岩抗剪强度进行评估得到有效的应对措施 中夹岩分区理论根据相关理论研究可将中夹岩区域分为上岩盘、中岩墙和下岩盘 上岩盘处于上部岩土体荷载和中岩墙的主要传力的构造主
5、要为拱肩以上受隧道上部临空面影响的区域中岩墙是中夹岩的主要构造两侧为隧道临空面为拱肩以下拱脚以上主要受竖直应力影响的区域下岩盘是中夹岩的底座是将中岩墙承载传至下岩盘其作用与地基类似是传导荷载、控制中岩墙竖向位移的关键部位 分布如图 所示图 中夹岩分区规划根据中夹岩各部分的承载特性进行分区(见图)才能充分了解中夹岩整体的承载性能图 中夹岩各分区简化力学模型图如图 所示可依据承载性状的不同将中夹岩进行分区上岩盘和下岩盘两部分与中岩墙的分割线为不受隧道临空面上产生的切向应力的影响即中岩墙部分在不考虑侧向支护的情况下处于单向应力状态 中夹岩分区影响受隧道的断面的影响若排除由于棱角产生的应力集中状态则主
6、要从拱形至倒圆角形渐变性转化 隧洞断面为圆形时可无视中岩墙部分将上岩盘和下岩盘视作中夹岩的承载构造隧洞断面为矩形时则可将中岩墙视为中夹岩的承载构造 基于中岩墙破裂面的抗剪强度理论由普氏压力拱理论最小主应力 的作用面为竖直方向破裂面的夹角 /其中 为内摩擦角 由隧道开挖产生的应力重分布以及隧道临空面上的径向应力趋近于 从而主应力方向趋于隧道临空面上的切向方向上且中岩墙左右侧边界并不受水平向的力 基于上述假设以及主应力方向转变学说可以得出任一水平向的最小主应力都为 并且求解得竖直方向上的最大主应力 由于中岩墙的宽高比/()会发生变化因此存在临界变化点即/以此将破裂滑块体分为两种情况)/时上部滑块为
7、梯形)/时上部滑块为三角形 如图 所示图 中夹岩受力示意图由于破裂角 的存在破裂面上存在一对抗滑力 与下滑力 的大小关系是影响中岩墙抗剪强度的关键因素需在上部滑块体形状不同的两种情况下对抗滑力及下滑力进行计算 抗滑力计算抗滑力的计算主要体现在滑块体的受力状态上极限平衡状态下的中夹岩的抗剪强度趋于极限即任意一处都能达到其剪切强度 在宽高比/的状态下根据库伦公式以及莫尔圆与抗剪强度的几何关系(如图 所示)可以得出中夹岩的抗剪强度为 图 抗剪强度线及莫尔圆进而通过对抗剪强度进行积分得到最大抗滑力:()/()()而当宽高比/时按照同理推导得:()/()()式中:为围岩的粘聚力若存在锚杆的作用则需在原有
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