大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究-FONT-
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第 28 卷
增 2
2009 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.28 Supp.2 Sept.，2009
大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压 缩模量试验研究
方钱宝 1，马建林 2，喻 渝 1，杨建民 1，王新东 3
荷载 p/kPa
图1 Fig.1
试验系统示意图(单位：cm) Sketch of test system(unit：cm)
0 0 2 4
变形 S/mm
47.6 47.5 38.1 36.9
29.1 20.5 68.8 65.8
21.9 14.6 29.7 17.3 29.7 17.0 29.2 18.0
7.3 12.4 12.7 11.2
－0.66 －0.87 －0.16 －0.35
14.1 14.2 16.7 17.0
6.4 25.8 53.2 51.3
[1～4]
路客运专线的兴建，使之对于这方面的要求更为迫 切。
，
第 28 卷
增2
方钱宝，等. 大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究
• 3933 •
黄土是工程性质不良的特殊土，具有分布广， 厚度大，多孔隙，遇水易崩解、软化，湿陷性强， 易动力变形、液化，各向异性等特殊工程性质，从 而使郑西客运专线建设面临突出的不良工程地质问 题。郑西客运专线全长 458.8 km，是我国在黄土地 区新建的设计时速为 350 km/h 的第一条铁路客运专 线。全线隧道共计 38 座，总长约 77 km，其中黄土 隧道占隧道总长 65%。由于客专黄土隧道设计时速 高，设计断面≥100 m2，开挖断面≥160 m2 二者均 较大，对稳定、变形与沉降的要求非常严格。因此 必需进行准确严格的设计计算。 为此，本文依托郑西客运专线双线大断面黄土 隧道工程进行了黄土围岩水平、竖直方向的弹性抗 力系数和相关变形、压缩模量的现场试验研究，为 我国现代化大断面黄土隧道的设计计算提供了可靠 参数。
由此基于 Winkler 弹性地基假定提出的隧道弹性反 力与变形的比例系数就是弹性抗力系数。 弹性抗力系数通常是通过荷载板试验确定的[2]。 由荷载板试验的压力和沉降关系曲线，即 p-S 曲线 可得到比例界限压力和对应沉降，根据下式[8]可以 求得弹性抗力系数：
Ksa
pa Sa
(1)
式中： Ksa 为围岩的弹性抗力系数， pa 为比例界限 压力， Sa 为与 pa 所对应的沉降。 同时，相应的变形模量 E0 和压缩模量 Es 可分别 按下式[8
，9]
计算：
E0 1 2 dpa Sa
(2) (3)
Es
(1 ) E0 (1 2 )(1 )
式中：为承压板形状系数；为泊松比，这里根据
2
试验原理与过程
相关三轴压缩试验结果取 = 0.3；d 为承压板直径 或宽度。 2.2 试验点的选取 郑西客运专线全线隧道大部分是黄土隧道。经 比选，选取具有代表性的河南段阌乡隧道和陕西段 秦东隧道为试验点进行试验。阌乡隧道位于黄河二 级阶地后缘，该段地层属第四系全新统、更新统风 积与冲击积的砂质黄土；秦东隧道穿越黄土台塬地 段，黄土台塬为第四系上更新统风积的砂质黄土， 厚 20～45 m，下伏第四系中、下更新统风积的砂质 黄土，中间夹有数层古土壤层，总厚 150～200 m。 试验均在隧道内专用洞室进行，详细情况见表 1。 各试验点黄土的室内土工试验参数见表 2。
(1. China Railway No.2 Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan 610031， China； 2. School of Civil Engineering， China； 3. China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610031， Xian，Shaanxi 710043，China)
2 3 4 5 6 7 8 9 10
Qeol 2 –1 Qeol 2 –2 Qeol 2 –3
eol Q1 –1 eol Q1 –2 eol Q1 –3
Qeol 2 砂质黄土 Qeol 2 砂质黄土 Qeol 2 砂质黄土
eol Q1 砂质黄土 eol Q1 砂质黄土 eol Q1 砂质黄土
• 3934 •
26.4 24.3 30.1 23.5
Qeol 2
eol Q1
2.3 试验设备 (1) 刚性承压板：面积为 0.25 m ； (2) 加载设备：50 t 油压千斤顶； (3) 传力设备：工 20a 工字钢，长 2 m； (4) 加载控制系统： 中国科学院武汉岩土力学所 RSM-JCIII 型静载测试仪； (5) 记录设备：MS–50 位移传感器(电脑自动 记录数据)、百分表等(见图 1，2)。
2Biblioteka Baidu
2.4 试验加载与记录 试验采用规程 [8] 规定的快速加载方式进行加 载。本次试验加载分级为：Q3 黄土为 20～60 kPa； Q1，Q2 黄土为 50～100 kPa。设置电脑自动记录时 间为：每级试验开始后 15 min 记录，以后每隔 30 min 记录一次变形， 累积观测 2 h 时， 再施加下一级 荷载。 观测卸载回弹时，每级卸荷量取每级加载的 1～3 倍；每级卸荷后隔 15 min 记录，以后每隔 30 min 记录一次变形， 累积观测 2 h 时， 再施加下一级 荷载操作。
EXPERIMENTAL RESEARCH ON ELASTIC RESISTANT COEFFICIENT， DEFORMATION AND COMPRESSIVE MODULI OF SURROUNDING ROCK IN LARGE-SECTION LOESS TUNNEL
FANG Qianbao1，MA Jianlin2，YU Yu1，YANG Jianmin1，WANG Xindong3
Abstract：Elastic resistant coefficient，deformation and compressive moduli of surrounding rock in large-section loess tunnel are very important for design of tunnel. Based on the project of large-section loess tunnels along the new passenger dedicated line(PDL) from Zhengzhou to Xian，the elastic resistant coefficients，deformation and compressive moduli of surrounding rock in loess tunnels have been studied horizontally and vertically by plate loading tests. The formulas for these parameters mentioned above which are related to buried depth of tunnel are also provided. Key words：rock mechanics； passenger dedicated line(PDL)； loess tunnel； elastic resistant coefficient； deformation modulus；compression modulus 而目前国内外相关文献资料中关于黄土隧道弹性抗
岩石力学与工程学报
2009 年
表2 Table 2
土层
eol+al Q3 eol Q3
试验点黄土物理力学参数
干重度 黏聚力 内摩擦角 c/kPa /(° )
Physico-mechanical parameters of loess in test spots
d/(kN·m 3)
－
天然密度
－
颗粒密度
2.1 试验原理 目前我国地下结构计算中主要采用的计算模型 是荷载–结构模型，尤其是在模筑衬砌中，这种方 法应用更为广泛 。该模型较合理地考虑衬砌和围 岩相互作用和对荷载的共同分担，体现了安全和经 济的设计理念。它认为在围岩和支护的相互作用下， 围岩不仅提供主动荷载，而且还对支护结构施加被 动反力。因为在非匀布主动荷载作用下，支护结构 一部分将发生向着围岩方向的变形。当围岩的刚度 达到一定时，围岩就会对衬砌结构产生抗力来限制 其变形。 在一定范围内， 这种抗力可称为弹性抗力。
3
试验结果及分析
3.1 弹性抗力系数试验结果
(a) 水平向反力系统 (b) 竖向反力系统
根据试验数据绘制 p-S 曲线。阌乡隧道 DK298+ 636.2 处 p-S 曲线见图 3。 其他试验点 p-S 曲线绘制方式与上述相同。由 式(1)计算得到的试验点弹性抗力系数结果见表 3。 3.2 由现场试验结果导出的变形模量结果 根据式(2)计算的变形模量结果见表 4。
里程
埋深/m
试验点地层岩性
eol+al Q3 砂质黄土 eol Q3 砂质黄土 eol Q3 砂质黄土 eol Q3 砂质黄土
DK298+636.2 SK0+11 SK0+22 SK0+28 XK0+802 XK0+710 XK0+702 XK0+184 XK0+178 XK0+172
28.0 10.0 15.0 20.0 113.0 158.1 161.2 105.0 106.0 107.0
(1. 中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 3. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)
摘要：对于高速铁路大断面黄土隧道严格的设计计算而言，黄土隧道围岩的弹性抗力系数、变形模量和压缩模量 十分重要。以郑西客运专线大断面黄土隧道工程为依托，利用现场平板载荷试验研究大断面黄土隧道围岩水平方 向和拱底竖直方向的弹性抗力系数、变形和压缩模量，并提出与隧道埋深有关的弹性抗力系数、变形和压缩模量 的参考计算公式。 关键词：岩石力学；客运专线；黄土隧道；弹性抗力系数；变形模量；压缩模量 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增 2–3932–06
表1
[7]
试验点情况
Table 1 Situation of field test spots
试验点编号 1 土层编号
eol+al Q3 –1 eol Q3 –2 eol Q3 –3 eol Q3 –4
正洞/斜井名称 阌乡隧道正洞 秦东隧道 1 号斜井外侧 秦东隧道 1 号斜井外侧 秦东隧道 1 号斜井外侧 秦东隧道 1 号斜井 秦东隧道 1 号斜井 秦东隧道 1 号斜井 秦东隧道 3 号斜井 秦东隧道 3 号斜井 秦东隧道 3 号斜井
1
引
言
力系数与变形、压缩模量的试验研究甚少[5
， 6]
。随
着我国高速铁路建设的兴起，尤其是郑州—西安铁 在现代化隧道设计计算中围岩的弹性抗力系数 与变形模量、压缩模量是不可缺少的计算参数
收稿日期：2008–07–01；修回日期：2008–08–26 基金项目：铁道部重点课题项目(2005K001–D(G)–3) 作者简介：方钱宝(1979–)，男，2008 年于西南交通大学岩土工程专业获硕士学位，现为助理工程师，主要从事隧道工程方面的设计与研究工作。 E-mail：qbfangtang@126.com
－
/(g·cm 3) s/(g·cm 3)
1.55 1.51 1.92 1.95 2.70 2.70 2.70 2.70
天然含水率 天然孔隙比 孔隙率 饱和度 液限 塑限 塑性指数 液性指数 w/% e n/% Sr/% wL/% wP/% IP IL
9.8 6.5 15.0 14.1
0.910 0.903 0.615 0.584
增 2
2009 年 9 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.28 Supp.2 Sept.，2009
大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压 缩模量试验研究
方钱宝 1，马建林 2，喻 渝 1，杨建民 1，王新东 3
荷载 p/kPa
图1 Fig.1
试验系统示意图(单位：cm) Sketch of test system(unit：cm)
0 0 2 4
变形 S/mm
47.6 47.5 38.1 36.9
29.1 20.5 68.8 65.8
21.9 14.6 29.7 17.3 29.7 17.0 29.2 18.0
7.3 12.4 12.7 11.2
－0.66 －0.87 －0.16 －0.35
14.1 14.2 16.7 17.0
6.4 25.8 53.2 51.3
[1～4]
路客运专线的兴建，使之对于这方面的要求更为迫 切。
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第 28 卷
增2
方钱宝，等. 大断面黄土隧道围岩弹性抗力系数、变形模量与压缩模量试验研究
• 3933 •
黄土是工程性质不良的特殊土，具有分布广， 厚度大，多孔隙，遇水易崩解、软化，湿陷性强， 易动力变形、液化，各向异性等特殊工程性质，从 而使郑西客运专线建设面临突出的不良工程地质问 题。郑西客运专线全长 458.8 km，是我国在黄土地 区新建的设计时速为 350 km/h 的第一条铁路客运专 线。全线隧道共计 38 座，总长约 77 km，其中黄土 隧道占隧道总长 65%。由于客专黄土隧道设计时速 高，设计断面≥100 m2，开挖断面≥160 m2 二者均 较大，对稳定、变形与沉降的要求非常严格。因此 必需进行准确严格的设计计算。 为此，本文依托郑西客运专线双线大断面黄土 隧道工程进行了黄土围岩水平、竖直方向的弹性抗 力系数和相关变形、压缩模量的现场试验研究，为 我国现代化大断面黄土隧道的设计计算提供了可靠 参数。
由此基于 Winkler 弹性地基假定提出的隧道弹性反 力与变形的比例系数就是弹性抗力系数。 弹性抗力系数通常是通过荷载板试验确定的[2]。 由荷载板试验的压力和沉降关系曲线，即 p-S 曲线 可得到比例界限压力和对应沉降，根据下式[8]可以 求得弹性抗力系数：
Ksa
pa Sa
(1)
式中： Ksa 为围岩的弹性抗力系数， pa 为比例界限 压力， Sa 为与 pa 所对应的沉降。 同时，相应的变形模量 E0 和压缩模量 Es 可分别 按下式[8
，9]
计算：
E0 1 2 dpa Sa
(2) (3)
Es
(1 ) E0 (1 2 )(1 )
式中：为承压板形状系数；为泊松比，这里根据
2
试验原理与过程
相关三轴压缩试验结果取 = 0.3；d 为承压板直径 或宽度。 2.2 试验点的选取 郑西客运专线全线隧道大部分是黄土隧道。经 比选，选取具有代表性的河南段阌乡隧道和陕西段 秦东隧道为试验点进行试验。阌乡隧道位于黄河二 级阶地后缘，该段地层属第四系全新统、更新统风 积与冲击积的砂质黄土；秦东隧道穿越黄土台塬地 段，黄土台塬为第四系上更新统风积的砂质黄土， 厚 20～45 m，下伏第四系中、下更新统风积的砂质 黄土，中间夹有数层古土壤层，总厚 150～200 m。 试验均在隧道内专用洞室进行，详细情况见表 1。 各试验点黄土的室内土工试验参数见表 2。
(1. China Railway No.2 Engineering Group Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan 610031， China； 2. School of Civil Engineering， China； 3. China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610031， Xian，Shaanxi 710043，China)
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Qeol 2 –1 Qeol 2 –2 Qeol 2 –3
eol Q1 –1 eol Q1 –2 eol Q1 –3
Qeol 2 砂质黄土 Qeol 2 砂质黄土 Qeol 2 砂质黄土
eol Q1 砂质黄土 eol Q1 砂质黄土 eol Q1 砂质黄土
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26.4 24.3 30.1 23.5
Qeol 2
eol Q1
2.3 试验设备 (1) 刚性承压板：面积为 0.25 m ； (2) 加载设备：50 t 油压千斤顶； (3) 传力设备：工 20a 工字钢，长 2 m； (4) 加载控制系统： 中国科学院武汉岩土力学所 RSM-JCIII 型静载测试仪； (5) 记录设备：MS–50 位移传感器(电脑自动 记录数据)、百分表等(见图 1，2)。
2Biblioteka Baidu
2.4 试验加载与记录 试验采用规程 [8] 规定的快速加载方式进行加 载。本次试验加载分级为：Q3 黄土为 20～60 kPa； Q1，Q2 黄土为 50～100 kPa。设置电脑自动记录时 间为：每级试验开始后 15 min 记录，以后每隔 30 min 记录一次变形， 累积观测 2 h 时， 再施加下一级 荷载。 观测卸载回弹时，每级卸荷量取每级加载的 1～3 倍；每级卸荷后隔 15 min 记录，以后每隔 30 min 记录一次变形， 累积观测 2 h 时， 再施加下一级 荷载操作。
EXPERIMENTAL RESEARCH ON ELASTIC RESISTANT COEFFICIENT， DEFORMATION AND COMPRESSIVE MODULI OF SURROUNDING ROCK IN LARGE-SECTION LOESS TUNNEL
FANG Qianbao1，MA Jianlin2，YU Yu1，YANG Jianmin1，WANG Xindong3
Abstract：Elastic resistant coefficient，deformation and compressive moduli of surrounding rock in large-section loess tunnel are very important for design of tunnel. Based on the project of large-section loess tunnels along the new passenger dedicated line(PDL) from Zhengzhou to Xian，the elastic resistant coefficients，deformation and compressive moduli of surrounding rock in loess tunnels have been studied horizontally and vertically by plate loading tests. The formulas for these parameters mentioned above which are related to buried depth of tunnel are also provided. Key words：rock mechanics； passenger dedicated line(PDL)； loess tunnel； elastic resistant coefficient； deformation modulus；compression modulus 而目前国内外相关文献资料中关于黄土隧道弹性抗
岩石力学与工程学报
2009 年
表2 Table 2
土层
eol+al Q3 eol Q3
试验点黄土物理力学参数
干重度 黏聚力 内摩擦角 c/kPa /(° )
Physico-mechanical parameters of loess in test spots
d/(kN·m 3)
－
天然密度
－
颗粒密度
2.1 试验原理 目前我国地下结构计算中主要采用的计算模型 是荷载–结构模型，尤其是在模筑衬砌中，这种方 法应用更为广泛 。该模型较合理地考虑衬砌和围 岩相互作用和对荷载的共同分担，体现了安全和经 济的设计理念。它认为在围岩和支护的相互作用下， 围岩不仅提供主动荷载，而且还对支护结构施加被 动反力。因为在非匀布主动荷载作用下，支护结构 一部分将发生向着围岩方向的变形。当围岩的刚度 达到一定时，围岩就会对衬砌结构产生抗力来限制 其变形。 在一定范围内， 这种抗力可称为弹性抗力。
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试验结果及分析
3.1 弹性抗力系数试验结果
(a) 水平向反力系统 (b) 竖向反力系统
根据试验数据绘制 p-S 曲线。阌乡隧道 DK298+ 636.2 处 p-S 曲线见图 3。 其他试验点 p-S 曲线绘制方式与上述相同。由 式(1)计算得到的试验点弹性抗力系数结果见表 3。 3.2 由现场试验结果导出的变形模量结果 根据式(2)计算的变形模量结果见表 4。
里程
埋深/m
试验点地层岩性
eol+al Q3 砂质黄土 eol Q3 砂质黄土 eol Q3 砂质黄土 eol Q3 砂质黄土
DK298+636.2 SK0+11 SK0+22 SK0+28 XK0+802 XK0+710 XK0+702 XK0+184 XK0+178 XK0+172
28.0 10.0 15.0 20.0 113.0 158.1 161.2 105.0 106.0 107.0
(1. 中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031； 3. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)
摘要：对于高速铁路大断面黄土隧道严格的设计计算而言，黄土隧道围岩的弹性抗力系数、变形模量和压缩模量 十分重要。以郑西客运专线大断面黄土隧道工程为依托，利用现场平板载荷试验研究大断面黄土隧道围岩水平方 向和拱底竖直方向的弹性抗力系数、变形和压缩模量，并提出与隧道埋深有关的弹性抗力系数、变形和压缩模量 的参考计算公式。 关键词：岩石力学；客运专线；黄土隧道；弹性抗力系数；变形模量；压缩模量 中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2009)增 2–3932–06
表1
[7]
试验点情况
Table 1 Situation of field test spots
试验点编号 1 土层编号
eol+al Q3 –1 eol Q3 –2 eol Q3 –3 eol Q3 –4
正洞/斜井名称 阌乡隧道正洞 秦东隧道 1 号斜井外侧 秦东隧道 1 号斜井外侧 秦东隧道 1 号斜井外侧 秦东隧道 1 号斜井 秦东隧道 1 号斜井 秦东隧道 1 号斜井 秦东隧道 3 号斜井 秦东隧道 3 号斜井 秦东隧道 3 号斜井
1
引
言
力系数与变形、压缩模量的试验研究甚少[5
， 6]
。随
着我国高速铁路建设的兴起，尤其是郑州—西安铁 在现代化隧道设计计算中围岩的弹性抗力系数 与变形模量、压缩模量是不可缺少的计算参数
收稿日期：2008–07–01；修回日期：2008–08–26 基金项目：铁道部重点课题项目(2005K001–D(G)–3) 作者简介：方钱宝(1979–)，男，2008 年于西南交通大学岩土工程专业获硕士学位，现为助理工程师，主要从事隧道工程方面的设计与研究工作。 E-mail：qbfangtang@126.com
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/(g·cm 3) s/(g·cm 3)
1.55 1.51 1.92 1.95 2.70 2.70 2.70 2.70
天然含水率 天然孔隙比 孔隙率 饱和度 液限 塑限 塑性指数 液性指数 w/% e n/% Sr/% wL/% wP/% IP IL
9.8 6.5 15.0 14.1
0.910 0.903 0.615 0.584