張曉光，余航飛，高 強(qiáng)，王 登，李夢(mèng)瑤

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 廣東 廣州 510010；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

隨著地下空間的不斷開(kāi)發(fā)，地鐵成為城市交通的重要干線。陜西黃土分布廣泛，西安已建成的兩條地鐵線有不少區(qū)間位于濕陷性黃土地區(qū)，而黃土常常具有浸水濕陷特性，探明濕陷性對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響對(duì)運(yùn)營(yíng)安全有重要意義[1]，另外合理確定濕陷地基處理深度對(duì)地鐵隧道建設(shè)也具有指導(dǎo)意義[2-3]。土工離心試驗(yàn)技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖土工程各項(xiàng)領(lǐng)域，離心試驗(yàn)系統(tǒng)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)加速度再現(xiàn)地鐵隧道所處的不同應(yīng)力場(chǎng)[4]，但由于離心系統(tǒng)多按常規(guī)試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，未考慮地基浸水等特殊工況，因此無(wú)法模擬離心場(chǎng)浸水濕陷對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響[5]。目前為了模擬浸水影響，常常采用停機(jī)浸水的方式，但停機(jī)浸水與離心機(jī)運(yùn)行時(shí)浸水明顯不同，水分遷移規(guī)律存在差異，并且停機(jī)浸水法存在一些不可控性，如水量大小，浸水方式等均存在盲目性。為了滿足浸水模擬條件，需要對(duì)離心系統(tǒng)進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)，基于離心試驗(yàn)系統(tǒng)研制一種新型浸水裝置對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可靠性具有重要意義。

為滿足試驗(yàn)需要，許多研究人員對(duì)離心系統(tǒng)進(jìn)行了不同程度以及不同形式的開(kāi)發(fā)，如詹良通等[6]自行研發(fā)了一種新型的離心機(jī)機(jī)載降雨模擬裝置，通過(guò)調(diào)整電磁閥和調(diào)壓設(shè)備模擬了不同的降雨強(qiáng)度條件下非飽和粉土邊坡的失穩(wěn)破壞；潘皇宋等[7]通過(guò)改進(jìn)離心試驗(yàn)技術(shù)，探究了滑面為折線型的大型滑坡穩(wěn)定性分別受開(kāi)挖和降雨兩類工況的影響，剖析兩種情況下大型滑坡變形破壞的失穩(wěn)模式及特征；楊文琦等[8]分析探討在不同降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度下,不同的膨脹土邊坡裂隙的分布位置和深度、膨脹力的大小等對(duì)邊坡的變形破壞過(guò)程及穩(wěn)定安全系數(shù)變化的影響規(guī)律；錢(qián)紀(jì)蕓[9-10]利用非接觸位移測(cè)量系統(tǒng)，得出了監(jiān)測(cè)邊坡的位移場(chǎng)在降雨環(huán)境下的變化情況；中科院田海等[11]采用新型介質(zhì)霧化噴嘴離心場(chǎng)降雨模擬設(shè)備，對(duì)松散堆積體邊坡進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)，對(duì)比了在模擬降雨及格柵支護(hù)措施條件下的不同工況；程永輝等[12]通過(guò)典型膨脹土邊坡在降雨條件下的離心模型實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞的全過(guò)程模擬，揭示了膨脹土邊坡在降雨條件下的失穩(wěn)破壞機(jī)理；周健等[13]利用自主研制的離心機(jī)可視化裝置，在保持坡度和降雨強(qiáng)度不變的條件下開(kāi)展了降雨誘發(fā)泥石流離心模型試驗(yàn)，在不同顆粒組分下泥石流的形成機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)水分遷移、孔隙水壓力，宏觀位移場(chǎng)進(jìn)行了分析；柳旻等[14]對(duì)濕陷性砂土進(jìn)行強(qiáng)夯處理，基本可以消除濕陷性。

可以看出，目前對(duì)離心試驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)多為了滿足邊坡降雨模擬，而針對(duì)地鐵隧道地基浸水裝置的研究并不多見(jiàn)，即目前只能實(shí)現(xiàn)地面降水模擬，尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)地下滲水的成熟的模擬裝置，對(duì)地下結(jié)構(gòu)和地上結(jié)構(gòu)的濕陷性產(chǎn)生條件以及評(píng)價(jià)機(jī)制等方面相差甚遠(yuǎn)[15]，現(xiàn)有的地面降水模擬裝置無(wú)法滿足隧道地基不同浸水工況的模擬，因此，基于離心試驗(yàn)系統(tǒng)研究黃土在不同滲水條件下的濕陷產(chǎn)生條件和評(píng)價(jià)機(jī)制、隧道結(jié)構(gòu)對(duì)變形破壞的適應(yīng)能力以及與隧道周圍土體間的相互作用機(jī)理等十分必要?；诖?，為滿足濕陷模擬要求，在長(zhǎng)安大學(xué)離心試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上升級(jí)了離心場(chǎng)浸水裝置和量測(cè)系統(tǒng)，利用升級(jí)的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了在不同浸水工況的條件下對(duì)地鐵隧道影響的離心試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可指導(dǎo)實(shí)際黃土地層的地鐵設(shè)計(jì)和建設(shè)工作。

1 離心試驗(yàn)浸水系統(tǒng)

1.1 離心設(shè)備與量測(cè)系統(tǒng)

試驗(yàn)所用離心機(jī)為長(zhǎng)安大學(xué)土工試驗(yàn)離心機(jī)(TLJ-3)，該設(shè)備的有效半徑為1.5 m，最大容量為60 g·t，最大加速度為200g，兩個(gè)大小不同的模型箱尺寸分別為700 mm×360 mm×500 mm和500 mm×360 mm×400 mm。通過(guò)利用攝像機(jī)和傳感器組等主要設(shè)備，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)量測(cè)及圖像采集，傳感器組主要包含土壓力盒，位移傳感器，應(yīng)變片等。本次試驗(yàn)主要采用傳感器量測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.2 地基浸水系統(tǒng)

借助長(zhǎng)安大學(xué)土工離心試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了離心場(chǎng)浸水系統(tǒng)的研發(fā)，本系統(tǒng)主要包括輸水系統(tǒng)和分散系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。其中，輸水系統(tǒng)用于儲(chǔ)水和輸水，分散系統(tǒng)用于確保地基土體中的水分均勻擴(kuò)散，從而使土體實(shí)現(xiàn)均勻飽和狀態(tài)。該系統(tǒng)的浸水開(kāi)關(guān)可通過(guò)操作電磁閥實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，不同的浸水深度和浸水點(diǎn)位置可通過(guò)浸水探頭進(jìn)行調(diào)整設(shè)置，停機(jī)浸水的盲目性在該系統(tǒng)中得到一定程度的降低，并且不同浸水點(diǎn)浸水量的精準(zhǔn)度得到了大幅提高。圖1為浸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，儲(chǔ)水箱、輸水管、電磁閥、直通龍頭等部件并行組成輸水系統(tǒng)，其中儲(chǔ)水箱箱體由3 mm不銹鋼板制成，可在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂進(jìn)行固定；分散系統(tǒng)包括浸水控制水箱和浸水探頭，為了使土體浸水達(dá)到均勻飽和狀態(tài)，將浸水控制水箱劃分為四部分，形成獨(dú)立的四個(gè)隔間，且各隔間內(nèi)部的輸水管直徑和長(zhǎng)度完全相同，輸水管由電磁閥自動(dòng)控制，連接儲(chǔ)水箱與浸水控制水箱。浸水探頭直徑1 cm，通過(guò)直通接頭安裝于浸水控制水箱下部，實(shí)驗(yàn)中可進(jìn)行浸水探頭長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的實(shí)驗(yàn)工況。浸水孔設(shè)置在浸水探頭下端的四個(gè)方向。

圖1 浸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1.3 浸水控制

原狀黃土達(dá)到飽和濕陷狀態(tài)時(shí)，其飽和度要不小于85%，所以在試驗(yàn)前可根據(jù)模型土樣用量計(jì)算求得所需儲(chǔ)備水量，但是實(shí)際儲(chǔ)水量應(yīng)按照計(jì)算水量的110%添加，這樣可以確保土體全部飽和濕陷。完成試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞陌惭b后，運(yùn)行離心機(jī)使之逐漸達(dá)到所需要的加速度并穩(wěn)定1 min，然后可通過(guò)操作電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)浸水過(guò)程的遠(yuǎn)程控制，在離心力作用下，土體中水分逐漸發(fā)生遷移，直至黃土層完全濕陷。試驗(yàn)采用自主研發(fā)的離心機(jī)浸水系統(tǒng)，遠(yuǎn)程遙控離心機(jī)運(yùn)行時(shí)的地基浸水工況，并通過(guò)預(yù)先計(jì)算用水量更加精確地控制了不同工況下的土層浸水程度。

1.4 浸水效果驗(yàn)證

理論上，研發(fā)的離心場(chǎng)浸水系統(tǒng)可模擬隧道地基周邊浸水、全幅浸水及半幅浸水等工況。但是由于該裝置是初次使用，需要設(shè)計(jì)幾組基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本裝置的合理性。驗(yàn)證試驗(yàn)所用土體選擇重塑黃土，土層初始含水率和孔隙比分別為16.7%、1.16%，黃土層厚度取25 cm。設(shè)計(jì)浸水試驗(yàn)共計(jì)兩組(如圖2所示)，第一組試驗(yàn)在黃土層的中心位置布置浸水探頭，土層狀態(tài)為半幅不均勻浸水；第二組試驗(yàn)在黃土層上表面布置浸水探頭，使黃土層可以達(dá)到全幅均勻浸水狀態(tài)。試驗(yàn)用水量按照1.3節(jié)所述計(jì)算規(guī)則添加，含水率測(cè)點(diǎn)均已在模型中布置，但由于目前土壤分析儀器體積較大所占空間較多，在離心模型箱中很難應(yīng)用，所以當(dāng)離心機(jī)的進(jìn)水運(yùn)行完成后，關(guān)閉機(jī)器，取出部分測(cè)點(diǎn)處的土，對(duì)其含水率進(jìn)行檢測(cè)。

圖2 浸水測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3(a)在土層中心可看到有浸水探頭，處于半幅浸水狀態(tài)時(shí)，浸水效果良好的地方是浸水探頭下方的位置，含水率達(dá)到了34%，浸水效果在左右水平方向上減弱趨勢(shì)比較明顯，模型箱邊緣L5測(cè)點(diǎn)9，其含水率為27.1%，而且位于浸水探頭上方測(cè)線處的土體，其含水率普遍較低，浸水效果并未達(dá)預(yù)期，L1和L2測(cè)線位于測(cè)點(diǎn)的上方，此兩處含水率僅為21.7%和19.6%，這種情況的原因可能是當(dāng)水份向上方遷移時(shí)受到離心力的阻礙作用，這也說(shuō)明了水分離心場(chǎng)的遷移并非簡(jiǎn)單的空間擴(kuò)散，其遷移方向以向離心力方向?yàn)橹?。因此，?duì)于浸水探頭下方的土體，均滿足在半幅浸水工況下的浸水濕陷要求。圖3(b)顯示浸水探頭下方的土層，在全幅浸水時(shí)的含水率曲線整體表現(xiàn)為M型，左右浸水點(diǎn)的含水率達(dá)到了最高值，分別為34.1%以及33.9%，浸水效果隨著距浸水探頭水平距離的在增加表現(xiàn)出減弱趨勢(shì)，在豎直方向上也有相同的規(guī)律，L5測(cè)點(diǎn)的含水率達(dá)到了27.1%和27.3%，測(cè)點(diǎn)5位于左、右浸水探頭中間，含水率達(dá)到了29.5%，隧道模型受到邊緣浸水的影響并不明顯，所以認(rèn)為全幅浸水效果也可滿足要求。

圖3 浸水試驗(yàn)結(jié)果

2 地鐵隧道浸水離心試驗(yàn)

2.1 模型材料

運(yùn)用研制的離心場(chǎng)浸水裝置開(kāi)展地鐵隧道地基不同浸水工況的試驗(yàn)，本次試驗(yàn)土樣取自西安地鐵臨潼線洪莊站附近，自重濕陷性黃土場(chǎng)地淺基礎(chǔ)地基的濕陷等級(jí)為IV級(jí)，本次試驗(yàn)的取樣層底深度為14.7 m～22.5 m，且為老黃土，平均自重濕陷系數(shù)為0.045。本次試驗(yàn)的濕陷性黃土層選取原狀土，在保證其天然含水率和結(jié)構(gòu)性的前提下，將其加工成符合試驗(yàn)尺寸的模型土塊，表1為土體基本力學(xué)參數(shù)。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

基于地鐵隧道基地黃土，不同浸水濕陷工況對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力變形的影響是本次試驗(yàn)研究的重點(diǎn)，并且為了排除隧道施工過(guò)程的影響，使用有機(jī)玻璃管作為隧道模型材料且一次加工成型，模型材料的彈性模量E=6 GPa，泊松比μ=0.3，該模型管徑擬為100 mm，管壁厚度為10 mm。采用在原狀土層中鑿空暗挖通道的方法，將隧道模型推入土體實(shí)現(xiàn)對(duì)濕陷性工況的模擬，并且使用細(xì)沙吹填的方法密實(shí)隧道模型與原狀黃體土層之間產(chǎn)生的縫隙[16]。

2.2 相似準(zhǔn)則

本次試驗(yàn)所使用的模型箱尺寸(橫×縱×高)為700 mm×360 mm×500 mm，設(shè)置模型試驗(yàn)相似比例N=60，如表2所示，根據(jù)相似理論[17]制定出離心試驗(yàn)的相似法則，根據(jù)抗彎剛度等效原則[18]，處在橫向抗彎的條件下，模型與原型隧道管片厚度的彎矩比尺關(guān)系為EmIm=N-3EpIp，式中N為模型比；Em,Im分別為離心模型隧道管片的彈性模量與橫截面慣性矩；Ep，Ip分別為原型隧道管片的彈性模量與橫截面慣性矩橫截面慣性矩的計(jì)算式為I=t3/12，式中t表示隧道管片厚度。因此原型厚度為350 mm的混凝土管片盾構(gòu)隧道與有機(jī)玻璃材質(zhì)隧道模型相當(dāng)(彈性模量E=30 GPa)。

表2 離心試驗(yàn)相似法則

2.3 模擬工況

本次試驗(yàn)?zāi)M工況包括隧道基底土層半幅非均勻濕陷和全幅均勻濕陷，測(cè)試隧道結(jié)構(gòu)在不同工況下彎矩和徑向土壓力的變化規(guī)律。隧道拱頂埋深為15 cm(相當(dāng)于原型9 m)，以隧道仰拱底板為分割線，上下土層厚度分別為2.5 cm和15 cm，基底黃土層剩余濕陷工況分別為15 cm全濕陷、剩余10 cm濕陷和剩余5 cm濕陷。每種模擬工況下監(jiān)測(cè)斷面為隧道模型中間斷面，沿該監(jiān)測(cè)斷面均勻布設(shè)八個(gè)土壓力測(cè)點(diǎn)(其編號(hào)為C1—C8)，各土壓力測(cè)點(diǎn)處使用的量測(cè)儀器為通用微型土壓力計(jì)，測(cè)試工況見(jiàn)表3，測(cè)試斷面和測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。

2.4 結(jié)果分析

圖5為半幅不均勻浸水和全幅均勻浸水兩種不同的工況下，不同濕陷地基厚度時(shí)隧道周邊土壓力變化包絡(luò)線。由圖5(a)可看出，半幅不均勻浸水時(shí)，整體上隧道左幅土壓力增加，右幅減小，這是因?yàn)橛曳鼗髲?qiáng)度降低，而左幅地基保持原有強(qiáng)度不變，荷載作用下，右幅地基承擔(dān)荷載減小，相應(yīng)的左幅地基承擔(dān)荷載增大，拱頂荷載也呈增大趨勢(shì)，但增幅小于地基位置；剩余地基厚度也對(duì)土壓力變化有重要影響，剩余濕陷厚度為5 cm時(shí)，左幅225°位置土壓力增值為7.3 kPa，剩余濕陷厚度為15 cm時(shí)，土壓力增值達(dá)到了31 kPa，剩余濕陷厚度越大，對(duì)隧道的濕陷性影響越明顯。

表3 測(cè)試工況

圖4 浸水情況設(shè)計(jì)

由圖5(b)可看出，全幅均勻浸水時(shí)，隧道全幅地基強(qiáng)度均降低，承擔(dān)荷載均有一定幅度減小，左右邊墻處土壓力增值較大，這是因?yàn)榈鼗休d力降低情況下，整體荷載作用下，濕陷地基上層強(qiáng)度較大的地層分擔(dān)了更多的荷載比例，隧道拱頂處土壓力值變化不大，同理還可看出，地基剩余濕陷厚度為5 cm，對(duì)土壓力變化值影響不大，僅有6 kPa，當(dāng)?shù)鼗Ｓ酀裣莺穸葹?5 cm，土壓力減小值達(dá)到39.1 kPa。綜合圖5(a)和圖5(b)，地基浸水濕陷導(dǎo)致強(qiáng)度降低，造成隧道結(jié)構(gòu)荷載重分布，且剩余濕陷厚度越大，影響效果越明顯，半幅不均勻浸水時(shí)應(yīng)力重分布更加明顯，隧道左幅土壓力值變化較大，全幅均勻浸水時(shí)，地基土壓力值均有所減小，但相對(duì)均勻，地基剩余濕陷厚度為5 cm時(shí)，對(duì)隧道的影響較小，有效處理隧道濕陷地基對(duì)隧道受力合理性大有益處。

圖5 土壓力變化

3 結(jié) 論

(1) 通過(guò)改進(jìn)離心場(chǎng)試驗(yàn)浸水系統(tǒng)，可以有效地模擬城市軌道交通隧道穿越大厚度濕陷性黃土地層浸水條件下的試驗(yàn)工況。運(yùn)用所研發(fā)的離心場(chǎng)浸水設(shè)備，開(kāi)展了地鐵隧道地基全幅均勻濕陷、半幅不均勻濕陷條件下，對(duì)于不同剩余地基濕陷量的離心模型試驗(yàn)，為確定合理地基處理厚度提供了依據(jù)。

(2) 離心試驗(yàn)結(jié)果表明，全幅均勻濕陷和半幅不均勻濕陷均會(huì)造成隧道應(yīng)力重分布，相比全幅均勻濕陷，半幅不均勻濕陷對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的不利影響更為嚴(yán)重，半幅濕陷造成的地基不均勻沉降是隧道結(jié)構(gòu)病害的主要誘因之一。