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(1.中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司水能資源利用關鍵技術湖南省重點實驗室，長沙 410014;

2.湖南省高速公路管理局，長沙 410014)

1 問題的提出及研究思路

隧道錨錨塞體的作用主要是將橋梁設計的主纜力傳遞于山體中的穩(wěn)定圍巖，從而形成錨塞體和圍巖共同受力體。而圍巖體是一種流變性材料，具有長期時效性，這就給隧道錨工程安全穩(wěn)定分析帶來2個問題：第1，圍巖與混凝土接觸面的力學強度特性如何計算？第2，如何考慮圍巖的長期流變影響(包括變形和穩(wěn)定性)？

隧道錨長期穩(wěn)定性計算分析的關鍵在于力學模型及參數(shù)的確定。為了解決上述2個問題，綜合考慮文獻調(diào)研、專家咨詢、工程類比等成果[1-12]，擬采用研究思路為：①通過混凝土與圍巖長期剪切強度試驗獲得混凝土與圍巖接觸面的長期強度參數(shù)，并采用FLAC3D軟件中的接觸面單元模擬錨塞體與圍巖的接觸關系；②采用FLAC3D軟件中的CVISC黏彈塑模型模擬圍巖的長期流變作用，采用單軸壓縮流變試驗獲得CVISC黏彈塑模型中相關參數(shù)；③將CVISC黏彈塑模型及長期接觸面模型融入概化的依托工程隧道錨模型中，通過仿真分析獲得設計主纜力正常工作條件下圍巖、錨塞體的位移變化規(guī)律以及穩(wěn)定性評價。

2 CVISC模型及參數(shù)識別

2.1 CVISC模型理論基礎

FLAC3D軟件中的Burgers模型與Mohr-Coulomb模型串連而成的復合黏彈塑性模型CVISC模型，其一維應力狀態(tài)下的流變模型如圖1所示。該模型由馬克斯韋爾模型、開爾文模型和一個塑性元件串連而成。σ為巖土體應力，EM,EK,ηM,ηK分別為彈性模量、黏彈性模量、馬克斯韋爾黏性系數(shù)和開爾文黏性系數(shù)，σf為巖土體材料的屈服強度，εM,εK,εP分別為馬克斯韋爾體、開爾文體的應變和塑性應變。

圖1 FLAC3D中的CVISC模型圖

2.2 CVISC模型流變參數(shù)識別

流變模型參數(shù)可由單軸壓縮流變試驗[3]獲得，巖石的壓縮流變是指巖石在軸向壓縮狀態(tài)下表現(xiàn)出來的變形隨時間增長而變化的力學特性。單軸流變試驗方法及流程如下所述。

2.2.1 試驗方法

巖石試件取自于左錨錠洞深42 m處弱風化粉砂質(zhì)泥巖。將試件加工分組，在天然狀態(tài)下進行單軸壓縮流變試驗。選取6塊試件進行單軸壓縮流變試驗，以確定巖石的長期強度。巖石的單軸壓縮流變試驗是在3臺大型土工壓縮儀上同時進行，壓縮儀的最大加載能力為1 000 kN，由數(shù)顯千分表與荷重傳感器自動采集試件的變形與施加的應力。試驗采用分級加載方式，加荷應力由低到高，第1級為2.0 MPa，應力間隔參照試件變形情況確定，變形穩(wěn)定后施加下一級荷載，直到試件破壞為止。

2.2.2 試驗結(jié)果

6塊巖石試件流變試驗編號為：1-3，1-6，1-7，1-8，1-9，1-10。各試件單軸壓縮流變時間見表1。各試件單軸壓縮流變試驗曲線成果見圖2，單軸壓縮流變試驗前、后實物圖見圖3。

表1 單軸壓縮流變加載時間

圖2 試件單軸壓縮流變曲線

單軸壓縮流變試驗結(jié)果表明：在低應力水平下，流變變形相對較??；在經(jīng)過短時間初期流變之后，變形趨于穩(wěn)定。

圖3 單軸壓縮流變實物

2.2.3 CVISC流變模型參數(shù)取值

根據(jù)6塊巖石壓縮流變試驗的試驗結(jié)果，綜合考慮現(xiàn)場地質(zhì)條件、工程重要性等級及室內(nèi)試驗條件等其它因素的影響，根據(jù)第2.2節(jié)理論推導，結(jié)合單軸壓縮流變試驗資料可得CVISC模型中各參數(shù)見表2,表2參數(shù)物理含義詳見第2.1節(jié)。

表2 圍巖CVISC模型參數(shù)建議值

2.3 圍巖與混凝土接觸面長期強度參數(shù)取值

2.3.1 試驗過程及方法

南錨碇隧道錨錨塞體混凝土與巖體接觸面長期抗剪強度主要通過剪切流變試驗獲得。長期剪切強度試驗主要進行了5塊剪切流變試驗，試件編號為：2-2，2-3，2-4，2-5，2-9?？辜魪姸仍囼炘嚰苽?、試驗過程、試驗結(jié)果整理等參照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》執(zhí)行。部分剪切試驗曲線結(jié)果見圖4，剪切流變試驗前、后實物見圖5。

圖5 剪切流變試驗實物

2.3.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)剪切流變試驗的試驗結(jié)果，參照《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》取值方法、綜合考慮現(xiàn)場地質(zhì)條件、工程重要性等級及室內(nèi)試驗條件等其它因素的影響，接觸面模型中各強度參數(shù)見表3。

試驗結(jié)果表明：所有試件基本沿圍巖與混凝土剪切面發(fā)生剪切破壞。試驗結(jié)果顯示：圍巖混凝土接觸面短期剪切強度值為0.33～1.25 MPa，圍巖與混凝土接觸面長期剪切強度值為0.23～0.79 MPa，與短期剪切強度值相比，長期強度降低27.69 %～45.71 %。根據(jù)圍巖與混凝土接觸面長期剪切強度試驗結(jié)果，綜合現(xiàn)場工程地質(zhì)條件及類似工程經(jīng)驗等，圍巖與混凝土接觸面長期剪切強度建議值取值為：黏聚力155 kPa，內(nèi)摩擦角32°。

3 工程應用

3.1 工程概況

擬建的某跨江大橋全長1 305 m，主橋上部結(jié)構為820 m單跨懸索橋，主梁為鋼箱梁，主纜索塔為門式框架，下部為鉆孔灌注樁基礎。大橋南岸錨碇擬采用隧道式預應力復合錨碇結(jié)構。從大橋南岸隧道錨錨固區(qū)工程地質(zhì)條件來分析：隧道錨洞室?guī)r體主要為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)，以粉砂質(zhì)泥巖為主，局部含薄層砂巖，在整個場地連續(xù)分布；錨固范圍內(nèi)巖體為弱風化和強風化巖體，圍巖類別分別為Ⅳ類和Ⅴ類，依據(jù)巖體的變形和強度參數(shù)判別，屬于軟巖，其承載力和穩(wěn)定性相對較低。

3.2 概化計算模型

計算模型共劃分單元268 241個，節(jié)點總數(shù)為117 090；采用接觸面單元模擬圍巖與錨塞體混凝土之間的相互作用，接觸面單元3 600個，接觸面單元節(jié)點總數(shù)為1 920。詳見圖6。按照設計主纜拉力(2根主纜拉力T=3.154×105kN, 后錨面單位面積均布荷載P=519.439 6 kPa)模擬了錨塞體加載過程。

圖6 計算模型概化圖

計算思路為：首先，對整個模型賦彈性模型計算初始應力場；其次，賦彈塑性模型于整個模型，并計算隧道錨錨碇室開挖支護及隧道錨荷載施加；然后，將位移場清零，(為提高計算效率，在不影響計算精度的前提下)隧道錨附近區(qū)域圍巖賦CVISC流變模型，遠離隧道錨區(qū)域圍巖賦彈塑性模型，計算在1倍主纜力加載過程中隧道錨運營期100 a后錨塞體、圍巖的流變位移場、應力場及接觸面剪切流變位移變化規(guī)律。

3.3 計算結(jié)果及分析

3.3.1 計算說明

為方便計算結(jié)果的說明，圖7為流變計算錨塞體位移、應力監(jiān)控點的位置示意圖, 此次計算的目的主要是為研究圍巖流變對錨塞體的影響，廣義的圍巖流變認為流變是指應力狀態(tài)不變的條件下變形、應變隨時間而增長的性質(zhì)，因此計算結(jié)果主要集中于流變位移場性質(zhì)研究。

圖7 流變計算位移、應力監(jiān)控點

3.3.2 計算結(jié)果分析

錨塞體流變位移計算結(jié)果見圖8，不同時間下接觸面最大剪切流變位移計算結(jié)果見表4，圍巖流變位移計算結(jié)果見圖9及表5。

圖8 錨塞體監(jiān)控點流變位移隨時間變化

圖9 1 a后y=-22 m剖面位移云圖

表4 不同時間下接觸面最大剪切位移計算結(jié)果

表5 計算值

監(jiān)控點位移計算結(jié)果顯示：隨著時間增長，錨塞體位移會有一定增長；主纜力施加后初期，錨塞體位移增長速率較快；施加主纜拉力后0.5～2 a內(nèi)，錨塞體位移增長速率明顯減緩；施加主纜拉力后4～100 a內(nèi)，錨塞體位移基本不變。1倍設計主纜拉力(1P)作用下100 a內(nèi)錨塞體監(jiān)控點流變位移最大值約1.43 mm。錨塞體位移分布特征為：最大值出現(xiàn)在錨塞體底部，且隨著錨塞體斷面面積變小錨塞體斷面位移逐漸減小，分析其原因可能為錨塞體受荷作用類似于地基樁基礎受載，錨塞體斷面面積越小離后錨面將越遠，其受荷載作用影響越小，故其位移將減小。

表4接觸面剪切位移表明：1倍設計主纜拉力(1P)作用下100 a內(nèi)接觸面最大剪切位移約1.49×10-3mm,接觸面剪切位移值相對較小。

圖9及表5圍巖變形分布情況表明，在計算時間范圍內(nèi)，y=22 m剖面及y=-22 m剖面,圍巖位移特征為：1倍設計主纜拉力(1P)作用下錨塞體周邊圍巖最大位移計算值為2.0～3.2 mm。

4 結(jié) 論

通過以上分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)以FLAC3D軟件中CVISC流變模型為理論基礎，通過單軸壓縮流變試驗及長期接觸面抗剪強度試驗獲得與巖體流變相關的力學參數(shù)，并將CVISC模型和獲得的參數(shù)融入隧道錨數(shù)值仿真模型，進行長期穩(wěn)定性分析，此方法具有一定可行性，可為其它類似工程研究提供思路。

(2)依托封場長期穩(wěn)定性分析結(jié)果表明：隧道錨在1倍設計主纜力施加后100 a內(nèi)，錨塞體、圍巖、錨塞體與圍巖接觸面長期變形小，較符合工程設計安全要求。

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