偏心荷载作用下明挖隧道缩尺模型测试研究

2012-07-24杨果

四川建筑 2012年3期

杨果

(贵州省高速公路开发总公司，贵州贵阳550004)

明挖法隧道设计要考虑现场条件，比如土压力、自重、温度荷载、地震等。在所有这些条件中，作用在衬砌的土压力通过回填自重加以考虑。通常，隧道衬砌结构分析估计土压力时没有考虑地质方面的因素。但是，在多数情况下原有的倾斜地形在施工过后必须保留原样，因此倾斜回填上的非均不荷载由此而生，这方面的研究鲜见报道。对此，本文进行了明挖隧道缩尺模型试验:首先，由柔性理论确定模型的尺寸，测试荷载主要为砂和土压力，通过空气压力施加以模拟;其次，在测试过程中对径向位移，模型衬砌内外应变进行监测;最后，在周密控制下根据设计程序完成了整个模型试验。

图1 试验框架

1 试验装置和测试传感器

1.1 试验装置

模型框架如图1所示，宽 150cm，长 30cm，建造在钢基础之上。模型框架设计高60cm，以保证在隧道衬砌上砂层高度超过隧道衬砌一倍直径。为模拟现场原有较高的压力，压力装置设计如图2所示。这个压力装置沿长度分为15个独立单元，每个单元都有自己独立的塑料管，里面的空气压力通过控制箱控制，如图3。模型地基为通过淋降法制作的干砂，施工顺序通过压力装置模拟。模型衬砌由铝质材料预制而成，直径为30cm成半圆形。利用柔性率根据尺寸准则，模型衬砌厚度确定为8mm。

图2 压力装置

图3 压力控制箱

1.2 测试传感器布置

(1)土压力传感器:安装于模型衬砌的拱顶和肩部。试验中在填土过程中土压力的变化通过BE－2KC传感器监测，传感器直径30mm，测试范围0～200MPa，工作温度范围－10℃～60℃。在模型衬砌拱顶P2点和肩部P1、P3点的传感器安装位置对称于隧道衬砌的中轴线，如图4所示。

图4 压力传感器布置

(2)径向位移传感器:径向位移为沿隧道中心方向的衬砌位移，在拱顶和肩部安装传感器监测位移。径向位移传感器DTH－A－5型，最大监测范围5mm，工作环境温度为0℃～60℃。传感器安装位置拱顶(L2)和肩部(L1、L3)对称于隧道衬砌中轴线对称，如图5所示。

图5 径向位移传感器布置

图6 应变计布置

(3)应变计:衬砌圆周应变通过粘接在衬砌内部和外部表面的应变计来监测。所采用的应变计型号为KFG－23，宽度1mm，工作环境温度10℃～100℃，不考虑温度补偿。传感器在拱顶(S3，S8)，肩部(S2，S4，S7，S9)的位置以及弹性线(S1，S2，S3，S4，S5)都对称于隧道衬砌的中轴线，如图 6 所示。

2 试验模型测试

在本次研究中的试验检测过程如下:(1)铝质模型衬砌安装在二维模型框架;(2)模型基础通过淋降法保持相对密度85%，并要求模型单元顶部砂土保持90cm高度;(3)在完成模型基础之后，通过空气压缩设备对模型单元顶部施加上覆水平压力以模拟模型基础上覆回填土施工过程;(4)在这一步骤中，以50kPa逐渐增大施加的荷载，以等效在模拟上部厚10.6m砂形成的地应力;(5)通过空气压力设备施加附加压力以模拟由于堆土造成的均不荷载;如图7所示，同时监测相应的土应力，径向位移以及应变。为考虑堤岸坡面和角度的影响进行了两组测试。

2.1 考虑堆土坡面位置的模型衬砌特征

第一组测试为了研究在坡角为25°坡面位置不同所形成的偏心荷载对衬砌的影响。首先，在模型单元顶部预制砂如图7所示。由于水平回填土上部的坡面堆土造成的上覆压力通过空气压力来模拟。分别进行了7种方案(表1)，不同的方案对应不同的堆土高度。例如，第种7方案和第种6方案对堆土以25°角在明挖隧道中心进行施工的现场状况。在不同方案之间的距离为0.5D(D为隧道衬砌等效直径)。

表1 不同方案对应的堆土高度(m)

图7 不同高度的堆土位置模型

图8为所监测的土压力、径向位移以及衬砌应变曲线。图中所示为由于堤坝坡面位置布同的监测曲线，值仅为由于堤坝所造成的集中荷载每次监测到的最大值。图8表明由于在拱顶部位的施工土压力增加，左右肩部变化如图2所示。图8(a)清楚表明曲线梯度连续增加，尤其在方案5加载后，曲线梯度迅速增加。而且，土压力和曲线梯度的最大值都出现在隧道衬砌的左肩部。这种情况说明在当堤坝坡面位置位于模型衬砌中心1.0D之内时集中荷载一边的土压力迅速增加(方案5～方案7)图8(b)显示在左肩部施加偏心荷载后径向位移增加，在右肩部位移向衬砌内侧增加，在中心则趋于收敛，在右肩部如预期一样位移向衬砌内部发展。图8(c)和图8(d)显示在施加偏心荷载后，在左肩部的外部压应变增加，方向沿隧道衬砌内部切向方向，同时在隧道右肩部的外部应拉应变增加，方向沿衬砌外部切向方向，并与径向位移有相同的发展趋势。

图8 堤坝坡面位置偏心力测试结果变化曲线

2.2 考虑大坝坡面角度的模型衬砌特性

考虑由堤坝坡面位置不同所引起的施加在衬砌上的偏心力，进行了第二组测试。首先，把砂堆积在模型单元顶部如图9所示。由水平回填土上部坡面堤坝所引起上覆压力由空气压力来模拟。图9分别显示了三个方案的测试。方案1模拟了以20°坡角从明挖隧道中心修筑堤坝的现场条件。方案2和3分别以25°和30°的角度进行了模拟。

图9 堤坝坡面角度变化模型

测试得到的土压力、径向位移、衬砌应变等如图10所示。图10(a)清楚表明曲线梯度连续增加，同时在25°～30°之间呈现急剧变化。最大土压力值出现在隧道衬砌的左肩部，偏心荷载施加与此。图10(b)显示在施加偏心荷载后径向位移呈增加趋势，左肩部和中心的位移沿隧道衬砌内部方向发展，在右肩部沿隧道衬砌外方向发展。图10(c)和图10(d)显示在时间偏心荷载后，左肩部内部和外部应变在拉和压方向都呈增加趋势，方向沿隧道衬砌内法线方向。与此相反，在右见不得内外应变拉压应变也呈增加趋势，但方向沿隧道衬砌外法线方向，角度与坡面角度的增加相一致。