Model tests and bearing characteristics of composite lining of tunnel
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摘要: 中国山岭隧道常采用复合式衬砌支护，探究复合式衬砌的承载特性对矿山法隧道支护设计具有重要意义。设计了大型隧道结构模型试验系统，开展了毛洞、喷锚组合支护和复合式衬砌支护的大尺寸隧道模型试验，通过监测隧道破坏全过程，分析不同支护形式下隧道的破坏模式和支护结构受力特征，揭示了复合式衬砌的承载特性。结果表明：复合式衬砌支护较喷锚组合支护相比设计承载力提高了33.3%；两种支护形式下，围岩可承受约60%~75%的外荷载，施加二次衬砌后，二次衬砌可分担约15%~80%的围岩压力；喷锚组合支护较复合式衬砌相比能更好的发挥锚杆的效果。Abstract: The mountain tunnels in China often use composite lining support. To explore the bearing characteristics of the composite lining to guide the design of the mining method tunnel is of great significance. A large tunnel structural model test system is designed to carry out large-size model tests on the unsurported, spray-anchor combined support and composite lining support. The whole process of tunnel damage is monitored, and the damage modes of tunnels under different forms of support and the stress characteristics of the support structure are analyzed so as to reveal the bearing characteristics of composite lining. The results show that the composite lining support increases the design bearing capacity by 33.3% compared with the combined spray-anchor support. Under the two forms of support, the surrounding rock can withstand about 60% ~ 75% of the external load, and after its application, the secondary lining can share about 15% ~ 80% of the pressure of the surrounding rock. The combined spray-anchor support can better use the effects of anchors compared to the composite lining.
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Keywords:
- composite lining /
- model test /
- bearing characteristic /
- load-sharing ratio
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0. 引言
在水利工程建设与湖泊、河道的清淤疏浚过程中会产生大量的高含水率疏浚淤泥。在工程上因其力学性质差难以直接利用,通常进行抛泥处理,造成大量的资源浪费和严重的环境污染。水泥固化法处理高含水率淤泥,在填海工程中被大量使用[1]。在水泥固化土的研究中,有学者就水泥固化土强度影响参数方面展开了研究,也有学者为提高水泥土材料的力学特性,研究了掺入其它材料的影响[2-4]。
另一方面,中国每年产生的废弃砖块约占建筑垃圾总量的30%～50%。关于废砖细骨料再生研究中,Letelier等[5]利用再生骨料和废砖粉作为水泥替代品,研究了结构混凝土的力学性能。Kumar等[6]利用废砖细骨料、混凝土细骨料和pozzol烷材料制备砌块,测试了砌块养护28 d后湿压强度、吸水率和吸湿率等特性。中国目前仍存在建筑垃圾排放量大,回收利用率低等问题[7]。
在疏浚土等不良土的处理方法中,还可掺混不同粒径的砂土,通过改变粒径级配达到改善不良土力学特性的目的[8]。基于此,本文在传统水泥固化土方法基础上提出用水泥-废砖细骨料双掺固化处理高含水率黏土的方法,通过测定不同龄期和不同配合比试样的无侧限抗压强度,分析了双掺固化土的应力-应变关系、抗压强度-破坏应变关系及废砖细骨料的掺入对强度的影响。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料
（1）通过预试验确定本试验所用细骨料的粒径范围为2～5 mm,密度1.306 g/cm3,吸水率为10.57%。
（2）所取原状土的物理力学性质指标见表1,通过加入水使其达到本文所设计的含水率72.4%。
表 1 黏土的物理力学性质指标Table 1. Physical and mechanical properties of clay含水率/% 孔隙比 液限/% 塑限/% 液性指数 塑性指数 32.06 0.397 55.11 15.11 0.42 40.00 （3）采用工程上常用的普通硅酸盐水泥,即P.O 42.5R水泥。
1.2 试验方法
考虑废砖细骨料掺量分别为0%,8%,10%和12%,水泥掺量分别为6%,8%和10%（均为黏土干质量的百分比）等多种情况,设置7 d和28 d两种养护龄期。每组配合比条件下分别制作3个压缩试样,测定其无侧限抗压强度。试样的制备步骤如下：
（1）混合底泥进行搅拌。加入计算所需的相应固化剂和细骨料,使用搅拌器匀速搅拌5 min制备一定含水率的黏土-水泥-废砖细骨料混合物,搅拌均匀后制成混合泥浆。
（2）开展试样制作。为方便后期脱模,在装入混合料前,在模具（直径为3.91 cm,高度为8 cm）内壁均匀涂上一层凡士林。将制备好的混合泥浆,分3次延模具壁一侧缓缓滑入,一次倒入1/3模具容积,每次倒入后作一段时间振捣,使小气泡从表面破出,避免内部气泡间隙对试样强度的影响。灌制满后,用刮刀进行刮平,铺垫保鲜膜后封盖。
（3）开展试样养护。将试样密封后置于充满水的水箱中,并放置在标准养护室（20±3℃,湿度>95%）内,养护至设计龄期。
2. 试验结果与分析
2.1 废砖细骨料掺量对强度的影响
图1为废砖细骨料掺量与无侧限抗压强度在水泥掺量在10%条件下的关系曲线图。由图1可知：当废砖细骨料掺量从10%增加到12%,试样强度均有了较大幅度的提升；但养护龄期为28 d增长率比7 d时略小。分析认为：当养护龄期达到28 d时,近似认为废砖细骨料中的水分达到饱和,此时细骨料的湿润度与周围水泥土湿润度相当,根据再生废砖骨料的吸水返水特性[9]分析可知,此时细骨料的返水能力比吸水能力强,双掺固化土中的水分会有所增加,故出现龄期为28 d的水泥-废砖细骨料双掺固化土的强度增长速率较7 d变缓的现象；在相同废砖细骨料掺量情况下,双掺固化土抗压强度随试样养护龄期的增加而增大,且28 d无侧限抗压强度相较7 d无侧限抗压强度平均提升了1.63倍。
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图 1 废砖细骨料掺量对强度的影响Figure 1. Influences of amount of waste brick fine aggregate on strength2.2 水泥掺量对强度的影响
图2为废砖细骨料掺量在10%条件下,水泥掺量与无侧限抗压强度的关系曲线图。由图2可知：当养护龄期为7 d时,试样强度随水泥掺量的增加成线性增长；养护龄期为28 d,当水泥掺量大于8%时,强度增长速率有减小的趋势。分析认为：这一现象与废砖骨料的吸水返水特性有关；在相同水泥掺量情况下,双掺固化土抗压强度随试样养护龄期的增加而增大,且28 d无侧限抗压强度相较7 d无侧限抗压强度平均提升了约1.44倍。
2.3 双掺固化土与水泥固化土的对比
通过对两种固化土的强度特性进行对比分析（图3）发现,龄期为7 d的水泥固化土,随水泥掺量的增加成非直线增长,这与郑少辉等[3]分析不同水灰比固化土的强度所得研究结果相近,即当水泥剂量小于16%时无侧限抗压强度随水泥剂量的增加呈非线性增长。在两种养护龄期下,均出现双掺固化土强度的总体增长速率比水泥固化土强度增长速率高的现象。分析可知,再生废砖细骨料具有孔隙率高、吸水性强等特征,能够吸收土体中部分多余水分,且废砖细骨料含量越多吸水性越强,从而有效降低土体含水率,进而随之强化水泥在低含水率下的固化效率,加快了双掺固化土强度的形成。对7 d龄期条件,当水泥剂量大于等于8%时,废砖细骨料的掺入,明显提高了固化土的强度,说明要使废砖细骨料在改善固化土强度方面发挥作用,对水泥掺量存在一个最低剂量要求。
废砖细骨料为颗粒状,在固化土体中可视为游离状态,在制作无侧限抗压试样时,由于分层振捣处理导致废砖颗粒分布不均,形成的受力骨架也有所差异,故测出的强度不一,导致随着龄期和废砖细骨料含量的增长,强度的变异系数明显变大。
综上所述,在水泥剂量满足最低要求（本文测的最低剂量为8%）的情况下,废砖细骨料掺入和龄期增长都有利于固化土强度的提升；废砖细骨料的掺入,在增大固化土强度的同时也会增大固化土的变异性。
2.4 双掺固化土的破坏形态
图4为双掺固化土无侧限抗压强度试验的破坏形态。试样受压破坏后出现多条裂缝,主裂缝不突出不明显,破坏后试样破碎成块状,为塑性剪切破坏。故水泥-废砖细骨料双掺固化土的破坏形态主要表现为塑性剪切破坏。
2.5 压缩变形特性
图5为用水泥-废砖细骨料双掺法处理高含水率黏土的固化土应力-应变曲线图。由图可见其破坏应变分布在2.5%～3%,与水泥固化土的破坏应变一般介于0.5%～2%的认识[8, 11-14]有一定的偏差。分析其原因有两点：①由于废砖骨料在试样中成悬浮分布状态,当其掺量较小时,颗粒之间并没有形成骨架；②当骨料的湿润度与周围水泥土湿润度相当时,骨料表现出返水能力比吸水能力强的特性,使土体的水分略微增加所致。
图6为双掺固化土破坏应变与抗压强度的关系曲线。由图6可知,破坏应变随着抗压强度增大呈先略微减小后明显增大的趋势,这与其他学者得出的破坏应变随抗压强度增大而减小的试验结果[8, 10-14]有一定的偏差。分析其原因,主要是废砖的掺入使固化土的韧性在一定程度上得到提升。
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图 6 固化土破坏应变与抗压强度的关系Figure 6. Relationship between failure strain and compressive strength of DMSC samples3. 结论
（1）废砖细骨料对高含水率水泥固化土的强度有显著的提升效果,且早期强度增长速率比后期快。
（2）要发挥废砖细骨料的作用,水泥掺量需满足最低剂量8%的要求；掺入废砖细骨料在提高固化土强度的同时,也增加了固化土的变异性。控制变异性可提高其在工程建设上应用的安全可靠性。
（3）双掺法处理高含水率黏土固化土的破坏形态主要表现为塑性剪切破坏,其破坏应变在2.5%～3%,韧性比一般固化土的韧性好。
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图 6 喷锚组合支护（竖向荷载310 kPa）
Figure 6. Combined spray-anchor support (Vertical load of 310 kPa)
表 1 试验方案
Table 1 Test programs
序号 工况 工况一 毛洞 工况二 喷锚组合支护（锚杆间距17.6 cm × 17.6 cm） 工况三 复合式衬砌（锚杆间距17.6 cm × 17.6 cm） 
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表 2 模型试验材料物理力学参数
Table 2 Physical and mechanical parameters of model test materials
类型 密度/(g·cm-3) 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 弹性模量/GPa 单轴抗压强度/MPa 泊松比 围岩 2.23 46.0 38.20 1.39 0.186 0.36 喷层 2.30 396.8 32.96 5.09 1.430 0.29 细砂 1.75 0 38.74 — 0.079 0.30
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表 3 各工况承载能力
Table 3 Bearing capacities under various working conditions
工况 设计承载能力/kPa 较毛洞提高值/kPa 极限承载能力/kPa 较毛洞提高值/kPa 工况一 130 — 170 — 工况二 310 180 450 280 工况三 370 240 490 320
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[1] 肖明清. 复合式衬砌隧道的总安全系数设计方法探讨[J]. 铁道工程学报, 2018, 35(1): 84-88. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDGC201801014.htm XIAO Mingqing. Discussion on design method of general safety factor of composite lining tunnel[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2018, 35(1): 84-88. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TDGC201801014.htm
[2] 王建宇. 对隧道衬砌结构计算问题的思考[J]. 现代隧道技术, 2014, 51(2): 1-4. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD201402001.htm WANG Jianyu. On calculation of tunnel lining structure[J]. Modern Tunnelling Technology, 2014, 51(2): 1-4. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD201402001.htm
[3] 李荣锦, 邹鑫, 李荣建, 等. 半嵌泥岩半覆黄土隧道模型试验及承载特性评价[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(增刊1): 98-103. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2022S1018.htm LI Rongjin, ZOU Xin, LI Rongjian, et al. Model test and bearing characteristics evaluation of semi-embedded mudstone and semi-covered loess tunnel[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(S1): 98-103. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC2022S1018.htm
[4] WANG S M, WANG Y, LIN Z Y, et al. Analysis of the influence of the thickness insufficiency in secondary lining on the mechanical properties of Double-layer lining of shield tunnel[J]. Engineering Failure Analysis, 2022, 141: 106663. doi: 10.1016/j.engfailanal.2022.106663
[5] 何灏典, 唐欣薇, 严振瑞, 等. 复合式衬砌结构联合承载的原位试验与数值分析[J]. 岩土工程学报, 2022, 44(3): 560-568. doi: 10.11779/CJGE202203018 HE Haodian, TANG Xinwei, YAN Zhenrui, et al. In-situ tests and numerical analysis of composite lining structures with joint bearing[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44(3): 560-568. (in Chinese) doi: 10.11779/CJGE202203018
[6] GUO X L, FAN X S, TAN Z S. Deformation control benchmarks and secondary lining construction timing in squeezing phyllite tunnels: a case study of Chengdu-Lanzhou Railway[J]. Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research, 2024, 143: 105454.
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期刊类型引用(3)
1. 肖源杰，王政，AMINU Umar Faruk，王萌，李昀博，孔坤锋，陈宇亮，周震，李志勇. 不同建筑固废再生骨料取代率下粗粒土填料永久变形特性及安定行为研究. 中南大学学报(自然科学版). 2024(03): 1008-1022 . 
百度学术
2. 宾伟，黄靓，曾令宏，刘文琦，屈辉，彭龙辉，李东. 水泥固化再生骨料改性盐渍土的路用性能研究. 公路. 2024(08): 94-100 . 百度学术
3. 肖源杰，王政，AMINU Umar Faruk，王萌，李昀博，孔坤锋，陈宇亮，周震，李志勇. 不同建筑固废再生骨料取代率下粗粒土填料永久变形试验及预估模型. 中国公路学报. 2023(10): 17-29 . 百度学术
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