软岩的工程性质及蠕变特点

摘要:软岩具有蠕变特点,即强度随时间下降。本论文中，采用cundall提出的可精确模拟塑性流动和大变形的有限单元方法建立在地面压力作用下由于软岩塑性变形产生的隧道衬砌强度下降的模型，由佐藤提出的通过建立由于蠕变造成的软岩强度下降和评价塑性区域的模型方程，被运用于研究在不同时间、不同加固方法的各种效应。关键词：蠕变变形预测加固方法隧道1．介绍软岩特点不仅包括应变软化和扩张，而且包括蠕变和强度下降，在日本，大部分公路隧道和铁路隧道建造在软岩中，其中有些隧道在衬砌修建后产生由于蠕变造成的作用在隧道衬砌塑性区上的地面压力,就象推动周围岩土体进入隧道内侧一样。这种地面压力叫做塑性压力(日本土木工程师学会,2003)，能造成隧道衬砌变形,裂缝和剥落破坏。研究表明，这种塑性压力源于在挖掘区的塑性区域的蔓延和土体力学性能的变化，即地面塑性领域力学性质的变化。此外，列举出对于使隧道衬砌破坏的另一个因素。在这种情况下，加强隧道变形的监测，如控制轮廓内空间变形，并确保必要的内截面尺度。因此，有必要预测水平变形，有必要进行维修工作，变形位置的确定，在设计阶段最好的对策是作好量测工作。经过加固工作后，也需要勘测它内部随时间的变形效应．上面提到的有效的预测与评价，所需机制的目标现象非常好理解。因此，有必要建立适当的地面和衬砌的力学模型，并基于这种模模型来执行数值分析，可以准确地再现真实隧道的力学性能。但是，过去的研究结果，不仅受到地质资料的限制，也很少用于变形预测。在这项研究中，从衬砌的预防和保护出发，重点放在塑性压力上，对考虑地面强度下降，蠕变和衬砌强度下降的隧道变形进行了研究。它还旨在发展支护体系，在有关加固工作的判断基础上，改变内空间位移随时间变化而获得的数值分析。虽然只是一些细节部分，这种方法仍能完整预测变形，在未来这一方法可以帮助工程师找出合理管理和维修的期限。2．强度下降的蠕变模型隧道开挖可视为一个低速的平稳过程，因此,开挖后源于蠕变的变形,也被认为是主要受蠕变影响的破坏，蠕变破坏是一种在一定时间内、在一个固定荷载作用下变形逐渐进行的一种破坏现象。这一现象也可看作是一个强度随时间变化而降低的过程。岩体的框架结构破坏是一个(尤其裂纹等)由于水分而逐步腐蚀(应力腐蚀)，最后破坏的过程。隧道的大变形被认为是基于这种机制而造成破坏的过程，佐藤和龟村等推荐以下方程来描述岩石强度的蠕变过程，如下(佐藤,87-88紘,N从龟村,k.1983).这里,λ是一个常数,表明强度恶化速率的常量.R是在这种压力状态下破坏线的渐近线。尽管如此，在这个式子中，可以看出，蠕变仅仅出现在在强度下降的时段，仅仅考虑强度的蠕变效应，因此，破坏作用采用一个强度下降的混合速度。是一个空间量，包括岩石构造或避免环境腐蚀的破坏值。在控制水分含量压缩测试中，仿真结果表明：由于水分含量的增加而强度下降，这是预测的依据。图(1)显示了在无恒载荷试验下破坏时间的预测。从岩石测试中证明，由于压缩指数升幅低于抗压强度，造成所需的时间的增加。而方程式(1)在一定程度上也表达了这样的倾向。图1.应力比和分隔时间，无恒载荷试验3.选择加固方法对于隧道的加固方法，抑制衬砌内在空间位移的进程并确保必要的内部断面(建筑限制)是最重要的要求，一般来说，经过加固工作后，通过测量变形随时间的变化确定补强效果，所以，很需要在设计阶段探讨抑制位移的效应的方法。本文考虑补强效果、可操作性、经济，从不同的应对方法中选取内衬法、内加固工程(碳纤维薄板法,钢板联合法)以及回填法分析对象。当选择一个合适的方法时，重要的是要详细的调查和研究变形的原因，地面压力、结构和隧道衬砌等，并深入了解这些方法的特点。每一种方法的概述如下：(1)内衬法内衬法已作为目前一种应对变形隧道的工法。内衬法常被用来应对由于渗漏、冻害和地面压力衬砌破坏，喷浆法是内衬加固方法的一种，根据惯例，用薄喷砼，但这带来了一个问题，就是混凝土与衬砌粘合和喷浆不足，而且，喷浆材料易于破坏，脱落事故经常发生。最近，喷射厚度已降至约10mm大小，并铺设铁丝网和使用补充高分子的材料，这能有效抵抗弯矩和防止脱落。但是，由于耐久性等，这些已铺好的材料约10年后就不能用了。从这些观点中，钢纤维混凝土，是目前使用的趋势。2)碳纤维薄板加固方法碳纤维薄板加固方法使用很薄的碳纤维板,因此，在众多的应对衬砌恶化的方法中，它减少的内部截面最小。这种方法非常简单，不需要重型机械等，它只需要几个工人，建造周期短。这种方法的材料重量轻，易于运输和建造。此外，基于纤维强度特性，这种方法可以有效抑制膨胀的弯曲裂缝，因此可以取得较高的实用加固效应。因为这种方法仅使用光纤，不会产生锈蚀。但是，应该看到，这种方法不好的地方是不能抑制压缩力，其材料都是易燃物品，而当混凝土强度小是造成破坏的原因时，这种方法不能起到很好的效果。一般来说,隧道层数是径向和轴向之一，同时两层重叠，在相互正交的方向。(3)钢板联合法钢板联合法是在衬砌表面打下钢板，以提高衬砌的强度。这种方法，有衬砌所需的几个钢板和锚杆应安装的固定钢板。因此，与碳纤维薄板法相比虽然失去内截面，与其他加固方法相比较是比较小。这种方法不仅能有效地防止脱落，而且优势在于以钢板支持衬砌内部拉应力，并抑制开口弯曲裂缝。然而，应注意相比碳纤维薄板，钢板是十分重的，这就限制了其可用性，假如混凝土强度小，其效果就会下降，而且要定期刷油漆,以防止钢板腐蚀。钢板还是导电体.。一般来说，因为并不需要高强度钢材用于加固，ss400建议用环氧树脂粘结钢板。(4)回填法建造的隧道衬砌与天然地面粘贴紧密是非常重要的，这可使负载均匀。然而，地下隧道的修建广泛采用新奥法的板桩法使岩石衬砌之间孔洞常常存在，在这些隧道中，部分衬砌有不均匀的荷载，因为这些空隙和路基不能产生足够的应力，因此，有必要采用回填方法作为一项基本对策。在一些较新的隧道中采用暗挖法代替钢板桩法，因为相比板桩法，喷浆使用的混凝土能确保很好的粘附岩土体和衬砌的空洞，所以很少需要回填。然而，在初始阶段，除暗挖外，还有一些隧道，采用板桩，按施工方法可能产生衬砌与喷混凝土之间的空隙。许多情况下，在空洞上进行充填的条件是很难把握的。据调查，在一个适当的区间调查和空隙范围的规模是一个很好的方式。最近，一些非破坏性的调查技术，可有效探测广阔的范围，如已用于实践的电磁波(地面探测雷达)、超声波。注浆材料所扮演的角色，是均匀地传输作用在衬砌上的地面压力。因此，有必要使用灌浆材料填补这一空隙使地面和衬砌可以紧密地结合起来，而作用效应可以充分传递，灌浆材料应根据空隙大小和水份条件等仔细选择。一般来说，水泥是目前常使用的灌浆材料。4.考虑蠕变的变形分析4.1解析模型及变形仿真程序在这一章中，将介绍考虑岩体强度蠕变和衬砌破坏的隧道变形模拟。在这里，以假定建在软岩中、复盖100米的公路隧道为仿真模型。喷砼和钢拱支护已建好后，不起支护作用的洞壁岩体应力释放30%。那么，应力释放达到95%时，衬砌才具体起作用，而最后应力100%释放。根据日本公路公共公司的一级标准地面假定为软岩并基于Mohr-Coulomb屈服条件而被归结为完全弹塑性体件。模型分析见下图2。图2.数值分析模型(表土79.31%100)它假定隧道建成通车后强度立即下降。基于方程(1)描述，在最后一章,方程(3)可近似按远期差异进行实时分析。这里,λ代表强度下降速度，假定为0.0333(兆帕/年)。支护和衬砌性能规范由日本公路公共公司制定。分析方法采用有限差分法(cundall，甲和董事会米提出)，它能稳定地模拟塑性区不断扩大、衬砌有限变形或倒塌过程。为了满足方程(3)中的每个T时间力学平衡，当调整时间间隔时，时间整合被优化。结果，已经能够实现源于蠕变的、满足Mohr-Coulomb屈服条件的分析与模型。在(1)非支持(2)衬砌弹性体,(3)衬砌破坏的情况下，分析应该考虑内空间位移的变化。在这项研究中，通过采用分割衬砌成有限个单元的方法建立衬砌发生裂纹和剥落的模形。据推断，分布式裂缝将降低混凝土刚度的1/70。基于以上两点，对由于建造加固时间差异而产生的不同位移(10年后、20年后、30年后)进行了比较。在所有的案例分析中，位移被定为从开始挖掘起的数值，地面支护性能、衬砌加固列于统计表1。4.2回填开放分析模型的概述在回填的施工中，拱顶背部开放回填角度定为60°和开放回填深度定为5cm。在隧道混凝土和钢结构衬砌支撑已经建成后，开始进行回填，并在此基础上的建立回填分析模型,挖掘过程如图3.4.3变形分析结果与思考(1)无加固工作的案件分析案例总结统计表2。在无支护条件下，塑性区扩大，造成强度随时间变化下降。(案例1)列图4.由此可以看出，随着时间的推移，隧道径向强度下降，同样随着这一进程塑性区扩大。隧道周围强度下降的进程符合实际情况。图3.衬砌背部开放模型.图5显示无支护状态时内空间变形的变化(案例1)，衬砌退化是不考虑(案例2)，衬砌随着时间破坏(案例3)的。在这项研究中，衬砌的破坏是由于裂缝的分布降低了混凝土的刚度。图5，无支护状态(案例1)，50年后，变形增加了约40mm，衬砌被假设为一个弹性体（案例2），位移趋势为0。在另一方面，衬砌假设为可恶化的，（案例3）位移约26mm，其中，虽然抑制作用很明显，但位移还是随时间不断增加。在目前大多数被应用于实践的分析中，衬砌被假定为弹性体，以致仅仅地面随时间破坏。因此，这些分析结果几乎没有位移上升很大的。很多案例中，隧道竣工后，内部空间产生变形。考虑地面和衬砌的共同作用是有必要。(2)有加固工作的案例比较不同施工时间的加固工作的加固效果和不同的施工时间由于衬砌表面和拱顶位移造成的内部空间位移。在这里，用考虑了地面和衬砌恶化的案例3和案例4，估计在隧道修建后加固工作进行10年、20年、30年后的条件。这里用到的加固方法包括以弹性体为模型的内衬法和碳纤维布方法以及根据莫尔-库仑回填挖掘模型的回填法。在这里，内衬法和碳纤维布的方法不考虑衬砌破坏。内衬法和碳纤维布方法在不同时间的加固工作的位移比较分别列于图6、7。对比案例3中位移S10的位移为80mm，修建10年后，约60毫米，即得到抑制作用约20mm的结果。试验结果还表明了隧道中加固工作滞后会产生较大的内部空间位移的趋势。碳纤维薄板法也有类似的趋势，尽管如此，在这个案例中内衬砌法没有明显的表现出这个效应。因为在进行了加固工程10年后位移仅为5mm，如果只考虑收缩作用，内衬法能起到更好的的作用。图8显示了不同的时间进行回填后，隧道内深度5cm、角度为60°的回填开口的变形比较。对于加固工作实施十年后的M10，约抑制了25mm的变形。不过，20年后，加固方法几乎无抑制作用。从这些结果来看，较早地应用回填法可以起到很好的效果。图9显示了通过使用内衬砌法作为回填法的一种替代方法的施工时间的位移比较。结果显示了一个类似于图5的趋势。这个趋势证明了内衬方法回填开口中不同条件的存在。如果是并用回填法，可以出现高补强效应。5.结论在实践中，具体地了解地面压力等变形因素，预测地面压力的位置、方向和强度是非常困难的。基于这样的背景下，本研究进行了考虑岩体和衬砌强度下降的变形仿真，并在加固施工中运用这些分析结果。此外，通过比较这些结果，获得能够检验不同加固方法效应的支护体系因素。本研究的结论和成果叙述如下：(1)其他许多研究假定衬砌是位移极其有限的弹性体。我们的研究认为因为衬砌破坏，位移可能随时间增长，这更接近实际情况。(2)加固工作约在10年内能起到很好的效果。尤其是回填法，在其应用20年后，效果将难以发挥。因此，有必要尽早地进行加固工作。(3)在