寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究.pdf

寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究寒区隧道冻胀力模型试验及围岩注浆效果研究高焱1，朱永全2，董宇苍2(1.西南交通大学土木工程学院，成都610031;2.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄050043)摘要：为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式，进行冻胀力的室内模型试验。模型试验采用不同水囊大小和分布位置来模拟衬砌背后积水情况，通过模型试验箱外界环境整体降温和隧道底部局部降温的方式，模拟隧道外界的低温环境。试验结果表明：衬砌背后冻胀力在拱顶处较小，在边墙和拱脚处较大；在相同的冻胀压力作用下，拱顶处更容易破坏。最后采用数值计算，对比分析围岩注浆前后3种试验工况下隧道衬砌结构的可靠度。结果表明：仅靠提高衬砌结构的厚度和强度来预防或消除衬砌结构冻害的方法是不可取的，在富水区的寒区隧道采用围岩注浆加固具有较好的效果。关键词：寒区隧道；模型试验；冻胀力；注浆效果冻胀力是引发寒区隧道冻害的主要原因，分析冻胀力影响下寒区隧道衬砌结构的安全性具有重要的工程意义[1-3]。渠孟飞等[4]将隧道板岩岩体视为裂隙介质，研究了水分迁移和冻胀力分布的关系。仇文革等[5]通过模型试验研究了冻结深度和冻胀力之间的关系。匡亮[6]通过室内试验研究了冻胀力的本构方程。张全胜[7]采用CT检测的区段统计频率分析法，研究了围岩损伤试验和水热迁移规律。在寒区隧道衬砌结构设计阶段，并没有考虑冻胀力的影响，造成寒区隧道衬砌结构混凝土强度等级偏低，事实上寒区隧道衬砌背后积水冻胀可能是其发生冻胀的主要原因。为了研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式，进行了冻胀力的室内模型试验。1模型试验设计1.1试验目的研究寒区隧道衬砌背后积水位置不同时结构的受力变化规律和破坏形式。1.2相似比及相似材料模型尺寸是影响模型试验结果准确性的重要因素。本次试验中，综合考虑模型材料的相似性要求以及测试元件的埋设和布置等因素，将几何相似比定为40。根据相似比理论，通过几何相似比计算得到了其他物理力学参数相似比，模型试验设计参数如表1所示。表1模型试验设计参数相似比名称比例相似比名称比例几何40温度1应力40弹性模量40黏聚力40内摩擦角1应变1位移40时间1600容重1模拟的围岩为Ⅴ级，其物理力学参数如表2所示。经过多次正交试验，最终确定围岩相似材料和分配比为：重晶石粉∶粗砂∶细砂∶石膏∶水=70∶40∶60∶15∶20，衬砌材料的水膏比为0.75∶1。表2Ⅴ级围岩物理力学参数容重/(kN·m-3)弹性模量/GPa内聚力/MPa泊松比内摩擦角/(°)17～201～20.05～0.20.35～0.4520～271.3试验装置隧道模型断面为圆形，洞径为0.25m，衬砌厚度为2cm，纵向长为0.8m。模型试验箱如图1所示。图1模型试验箱制冷系统由压缩机、冷凝器、蒸发器、冷媒、温控室组成，用于调节隧道外部的冷环境，在隧道底部采用精度较高的制冷系统对隧道洞内环境温度进行调节。试验中，隧道外部环境温度为-18.5℃，不考虑埋深、风速、围岩初始地温的影响，模型纵向长度为0.8m。1.4监测点布置和测试内容本次试验一共布置了8个监测点，如图2所示。图2监测点布置主要测试内容包括冻胀压力测试、应变测试和温度测试。(1)冻胀压力测试选取拱顶、拱脚、边墙、墙脚和仰拱为监测点，一共设置了8个监测点。采用静态电阻应变仪测量，计算得到土压力盒上的冻胀压力。(2)应变测试在石膏衬砌上，应变片布设在与土压力盒相同的位置。采用电阻应变采集仪对应变片上的数据进行处理分析。(3)温度测试在模型试验箱的纵断面方向，以中间断面为测试断面。在模型试验箱的横断面方向，温度传感器分别布置在模型试验箱边缘、土体中部、土体与衬砌接触位置、隧道衬砌洞内和冻土室内部。温度传感器如图3所示。数据采集仪如图4所示，采样周期为0.5h。图3温度传感器图4数据采集仪1.5水囊成形方式水囊是采用PVA超强吸水海绵进行蓄水和保鲜膜进行封闭堵水而制成的。试验中水囊厚度分别为10、20cm和30cm。水囊制作过程如图5所示。图5水囊制作过程2试验结果及分析2.1不同工况下冻胀压力分布规律本文主要分析水囊不同分布位置时衬砌背后结构的受力变化规律和破坏形式。试验分为3种工况。(1)水囊分布在隧道仰拱位置(工况1)(2)水囊分布在衬砌边墙墙中以下位置(工况2)(3)水囊分布在衬砌拱脚以下位置(工况3)3种工况下，水囊的厚度均为10cm，冻胀压力及弯矩分布如图6所示。图63种工况下冻胀压力及弯矩分布由图6可知，水囊分布在隧道仰拱位置时，最大冻胀压力分布在左拱脚处，其值为0.329MPa，最小冻胀压力分布在拱顶处，其值为0.029MPa；水囊分布在衬砌边墙墙中以下位置时，最大冻胀