小净距隧道中夹岩抗剪强度研究.pdf

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 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抗滑力基础上加上锚杆所提供的抗剪作用按式()进行计算:()()/()()/()式中:为锚杆抗剪强度 为锚杆截面面积 为锚杆沿纵向布置的间距 下滑力计算如图 所示对上部梯形滑块(/)进行单独受力分析考虑其在极限平衡状态下同时受外力与滑块重力的影响并考虑由于围岩开挖所带来的切向压力建立相应的力学平衡方程以进一步对中夹岩的下滑力进行推导图 下滑力示意图 ()式中:()/为梯形滑块体的自重 为围岩重度 为切向应力的集中表示 为切向应力的夹角 为中夹岩上部梯形滑块体沿破裂面方向的下滑力所对应的反作用力 为中夹岩上部梯形滑块体垂直作用于破裂面方向所对应的支撑力根据作用力与反作用力的力学原理上部梯形滑块体沿破裂面上的下滑力 所对对应的反作用力 相等则可以通过 推导得到:/不发生剪切破坏()式中:为折减系数()中夹岩的抗剪性能在一定应力范围内可采用莫尔 库仑强度理论研究土体的抗剪强度问题即:()从式()中不难看出其强度由粘聚力和摩擦强度组成但实际上其强度机理与影响因素非常复杂其表现形式与实际机理往往不太一致但二者从本质上却无法截然分开 影响土的抗剪强度的因素有很多可以将其定性地表示为:()()式中:为土的孔隙比 为内摩擦角 为土的组成 为粘聚力 为应力历史 为温度、分别为应变和应变率 为土的结构中夹岩的本身的岩体的抗剪强度为主要判断依据依靠剪切力与抗滑力的大小结合岩土体的相关物理力学参数共同决定 因此将其分为两部分为内在因素和外在因素判别中夹岩的抗剪性能纵观上式各项影响因素可以分为两大类一类为内在因素是中夹岩所在岩层的物理力学性质主要包含岩土的组成状态以及土体结构另一类为外在因素是应力应变因素主要从应力状态、应力历史、外在约束条件以及施工条件等条件主要作用于岩土体从而改变中夹岩的整体力学特征(下转第 页)构通过建立有限元模型分析参数变化与性能间的关系根据分析结果指导施工作业开展分别建立排桩支护和土钉墙支护的 剖面结构模型通过改变锚杆、土层、桩参数等探究参数变化对支护方案的切实影响 经分析得到以下结果首先对于排桩支护技术应用调整桩嵌固深度将影响基坑水平位移但将深度由 升至 水平位移的变化程度较小说明在开展排桩支护施工作业时无需打深桩应当寻找最佳嵌固深度避免浪费成本调整桩间距将影响基坑水平位移但将间距由 变为 水平位移仅有 的变化说明间距大小的考量主要从成本和施工便捷程度方面着手调整锚杆倾角将影响基坑水平位移当倾角增大时主拉应力在弯曲作用下使得横向约束降低说明土钉需按照水平方向设置其次对于土钉墙支护技术应用调整基坑与荷载的距离将影响基坑水平位移但当达到一定值时影响变化较为微弱说明土钉墙不适宜应用于荷载密集区域调整土钉倾角和长度均会对水平位移有所影响但影响程度较小需在保证基坑安全性的前提下合理选定长度和倾角 结束语在岩土工程基础施工中深基坑支护技术应用时要根据岩土特点和基本参数合理选择支护类型并严格遵从稳定性、安全性和经济性要求实施施工方案如此保证土地利用率 本文重点研究土钉墙支护技术和排桩支护技术在岩土工程基础施工中深基坑支护作业的切实应用发现在所举例的岩土工程中运用两种施工技术均可实现整体结构稳定的目标排桩支护稳定性稍强于土钉墙支护 同时土钉墙不适用于荷载密集区域实际应用中需选定土钉长度和倾角受到技术因素限制并未借助信息化技术深刻分析基坑变形情况因此在未来研究中要注重 等信息技术引入保证研究结果更为全面、科学:参 考 文 献:李涛任东伟刘学成等.考虑深基坑支护结构变形的邻近管线变形解析方法.中国矿业大学学报():吴留伟熊署丹吴蕾等.深厚软土地基大型排涝闸站深基坑支护技术研究.建筑结构():李宇杰冯忠居朱彦鹏.兰州特殊红砂岩地层深基坑支护监测与数值模拟分析.岩土工程学报():莫品强刘尧黄子丰等.复杂支护条件下深基坑支护桩 冠梁 支撑的变形协调及空间效应研究.岩土力学():廖原乔绍财黄海荣等.某超高层深基坑支护设计及智能监测技术的应用.桂林理工大学学报():何旭升田发派付晓茜等.某圆砾地层异形深基坑支护变形规律及开挖空间效应研究.广西大学学报(自然科学版)():王妙灵王浩.高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性试验分析.地震工程学报():唐福源衣利伟曹勇等.填海地层深基坑支护参数优选与基坑变形分析.科学技术与工程():李兵隋文谢晋.注浆对深基坑支护结构抗震性能的影响分析.沈阳建筑大学学报(自然科学版)():(上接第 页)中夹岩抗剪性能的判定应从岩土体本身的抗剪能力出发进而考虑应力偏向产生对中夹岩有所影响的剪切力根据中夹岩的抗剪性能以及受剪切的情况进行一一比对才能对中夹岩的抗剪切性能有最好的考量 结 语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使得中夹岩发生剪切破坏其剪切破坏主要发生在中岩墙破裂角上因此需要针对中岩墙本身力学性质得到破裂角相对应能得到中夹岩破裂面从而成为中夹岩的薄弱区域同时该极限剪切力与隧道埋深、净距、压力拱下松散土体压力等有关则在隧道埋深和净距确定的情况下可以有针对性对中夹岩的各区域进行有效的加固预防剪切的发生中夹岩剪切破坏的发生主要原因为:小净距隧道的左右双洞由于开挖的应力分布不均因而出现极限剪切力大于抗滑力由而发生剪切破坏可采用错距开挖使其影响降到最低工程中发生剪切破坏大多在隧道运营中由于剪切力在增大超过抗滑力而产生的破坏因此在隧道设计中考虑中夹岩的抗剪强度和抗剪切疲劳隧道拱顶或拱肩处由于径向应力的消失切向应力增大而对中夹岩产生剪切作用采用平滑的隧道断面避免隧道临空面上的切向应力集中:参 考 文 献:刘芸周玉兵.软岩小净距隧道中夹岩柱分区及加固方法研究.地下空间与工程学报():.李享松张心源覃娟等.小净距隧道中夹岩安全系数法研究与验证.安全与环境学报():.章慧健仇文革冯冀蒙.小净距隧道夹岩力学特征分析.岩土工程学报():.():蔡闽金.小间距隧道中夹岩力学模型及稳定性评价方法研究.成都:西南交通大学 陈皓鲁聪李小青.小净距隧道中夹岩柱应力、应变特性及合理净距数值模拟分析.交通科技():李广信.高等土力学.北京:清华大学出版社