隧道弃碴压实变形规律试验研究

邹团结， 周德泉， 栗小祜， 邓　超

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700；　2.长沙理工大学 土木与建筑学院， 湖南 长沙　410114；　3.长沙理工大学 岩土工程施工灾变防控与环境修复技术协同创新中心， 湖南 长沙　410114)



隧道弃碴压实变形规律试验研究

邹团结1， 周德泉2，3， 栗小祜1， 邓超2

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700；2.长沙理工大学 土木与建筑学院， 湖南 长沙410114；3.长沙理工大学 岩土工程施工灾变防控与环境修复技术协同创新中心， 湖南 长沙410114)

[摘要]隧道弃渣形成的土石混合体作为路基填料，压实控制比较困难。从湖南省龙永高速公路大坝隧道弃渣填筑体取样，开展土石混填路基压实工艺室内模拟试验。结果表明： ①土石混合体压缩曲线整体上呈上凸型，回弹曲线平缓圆滑、均呈微下凹型。第i+1次压缩回弹曲线均位于第i次曲线下方，线形相似。超压曲线具有记忆效应。 ②分级加载比1次加载产生的变形大；循环荷载和加载次数增加，累积总变形和累积塑性变形增大。分级总变形量和分级塑性变形量随加载次数增加而减小，减小率也不断减小。循环荷载较大时，分级弹性变形随加载次数增加而减小。 ③工地碾压过程中，采用高吨位压路机或者轻重机具组合多次碾压，能有效提高土石混合体的压实度。

[关键词]隧道弃渣； 土石混合体； 压实； 模型试验

山区高速公路桥隧比例高，隧道开挖山体产生大量的弃渣。隧道弃渣的综合利用可以有效减少弃渣产生的危害[1]。隧道弃渣填埋处理不当[2，3]，会导致生态破坏、经济损失、安全事故等，具体表现为：弃渣填埋占用耕地、林地，破坏生物栖息地，污染水源，破坏环境，造成水土流失，诱发次生灾害(土壤侵蚀加剧、泥石流、滑坡、减小过水断面诱发洪灾)。山区高速公路建设实践[4]表明，隧道弃渣越来越多的被用来作为路基的填筑材料[5-7]，作为路基填筑材料一般不超过弃渣总量的50%[8]。隧道弃渣实际是一种土石混合体，物理力学特性比较复杂。土石混合体填筑路基的研究主要集中于压实度检测方法和变形特性研究。张献民[9]、曹文贵等[10，11]提出了土石混填路基的压实度检测新方法，对土石混填路基进行方便、快捷、准确的全面连续检测，控制压实质量。王明慧[12]、梁承祥[13]、徐文杰等[14]、刘丽萍等[15]。对土石混填路基的沉降特性进行了研究，提出土石混填路基填筑质量的控制方法。这些研究[9-14]趋向于施工后质量控制，缺少施工前质量控制的研究，特别是，岩石种类不同、风化程度各异，各隧道穿越的岩土条件千差万别，实际土石混合体的工程特性并不十分清楚，土石混填路基的填筑质量没有得到有效保证。本文通过对湖南省龙永高速公路大坝隧道弃渣填筑体现场取样，进行室内模型试验，研究石灰岩中开挖隧道形成的土石混合体筑路特性，为控制龙永高速公路24标段(隧桥连接段)土石混填路基施工质量提供依据。

1试验概况

在长沙理工大学结构试验中心反力架下加工围挡、形成方便施加荷载的模型槽(见图1(a))，尺寸为1.5 m×1.4 m×0.8 m(长×宽×高)，模型槽内充填大坝隧道弃渣填筑体样品作为模型土。通过室内小型平板载荷试验模拟现场压实施工过程，分别对二处测点(A、B)土石混合料进行不同额定荷载下的1次预加压+4次循环荷载+1次超载试验，探究实际土石混合体不同加载过程中荷载-变形曲线特征、压缩变形与加载次数的关系，以指导现场压实控制。加载过程见表1。

具体方案如下：

① 准备工作。自制模型槽，并保证模型槽满足试验要求，考虑摊铺厚度及槽底混凝土底板与施工现场实际碾压时的差别，预铺压土石混合料10 cm，标记槽壁四周刻度，精准摊铺厚度30 cm的试验土石混合料。同时加固反力梁、标定压力传感器、千斤顶。

图1　模型槽布置图Figure 1　Arrangement of model tank

表1 加载过程Table1 LoadingprocessofexperimentkPa试验点1次预压4次循环加载1次超载A100200300B300400500

② 设置荷载平台。采用实验室内反力梁、反力墩作为荷载施加的反力装置，经估算可用反力约95 kN。

③ 安装数据采集系统。测点处放置中部预留孔洞的φ400 mm的承压板、千斤顶、压力传感器，其间隙根据实际情况加减垫块、传力墩进行调节。在左右两侧对称设置两个大量程百分表，并与承压板保持垂直，且保持独立，不受试验加载及读数的扰动。

④ 加卸载，读取数据。荷载由已标定的压力传感器和千斤顶施加，通过DN-1型数显仪控制荷载的大小，沉降量通过百分表获得。

2试验结果与分析

2.1土石混合料级配特征

图2　土石混合料路基工地现场照片Figure 2　Field photo of soil-rock roadbed

图3　土石混合料颗粒级配曲线Figure 3　Grain-size distribution curve of soil-rock samples

2.2不同加载过程中荷载-变形曲线特征

不同荷载下土石混合体经历1次预压+4次循环加载+1次超载的压缩-回弹曲线如图4所示，其中，图4(a)表示试验点A经历1次100 kPa预压+4次200 kPa循环加载+1次超载至300 kPa的压缩-回弹曲线，图4(b)表示试验点B经历1次300 kPa预压+4次400 kPa循环加载+1次超载至500 kPa的压缩-回弹曲线。从图4中可以看出：

① 土石混合体压缩曲线整体上呈上凸型，经预压和第1次加载之后产生了明显的沉降；回弹曲线平缓圆滑、均呈微下凹型，卸载完毕时无法回到加载前的水平，这说明土石混合体为非理想弹性体，在荷载作用下产生的变形由弹性变形和塑性变形2部分组成；第i+1次压缩回弹曲线均位于第i次曲线下方，线形相似；当第1次加载超过预压荷载、超载超过第4次加载时，加压曲线将回归到前次压缩曲线的延伸，即具有记忆效应。

② 预压越大(图4(b))，变形就越大；分2级加载达到200 kPa产生的变形(图4(a))比1次加载达到200 kPa产生的变形(图4(b))大。说明工地碾压过程中，采用高吨位压路机或者轻重机具组合碾压，能明显提高土体的压实度。

图4　不同加载过程中荷载-变形曲线Figure 4　Load-deformation curves in different loading process

2.3加载次数与压缩变形的关系

图4中，等载(200 kPa和400 kPa)循环加卸载过程等效为压缩-回弹过程，与压路机碾压1遍十分相似。

2.3.1加载次数与累积压缩变形的关系

图4中，4次等载(200 kPa和400 kPa)循环加卸载之后分别经受了1次超载(分别为300 kPa和500 kPa)，所以，试验点A经受了5次200 kPa压力，试验点B经受了5次400 kPa压力，产生了5次累积沉降和4次累积塑性变形。累积沉降-加载次数曲线见图5(a)，累积塑性变形-加载次数曲线见图5(b)。图4～图5(a)表明：

① 循环加卸载过程中，随着加载次数增加，土石混合体累积沉降(总变形)和累积塑性变形增大，压实度提高。

② 循环荷载越大，土石混合体累积沉降(总变形)和累积塑性变形也越大，压实度越高。循环加卸载1～4次，随着加载次数增加，累积沉降(总变形)和累积塑性变形的增长率也越高(曲线斜率越高)。

图5　累积沉降—加载次数和累积塑性变形—加载次数曲线Figure 5　Relationship curves between accumulative settlement and loading times & accumulative plastic deformation and loading times

2.3.2加载次数与分级压缩变形的关系

图4中，每次等载压缩-回弹曲线都揭示了总变形、塑性变形和弹性变形。为了便于辩析，将等载循环加卸载阶段每次等载压缩-回弹过程拟定为每级。获得的分级沉降(总变形)、分级塑性变形和分级弹性变形与加载次数的关系见图6所示。分析发现：

图6　分级沉降-加载次数，分级塑性变形—加载次数和分级弹性变形—加载次数曲线Figure 6　Relationship curves between classification settlement and loading times, classified plastic deformation and loading times & classified elastic deformation and loading times

① 加载次数增加，分级沉降量和分级塑性变形量随之减小，减小率也不断减小。加载到第5次，分级沉降量仍在减小，与全风化泥质砂岩[16]和花岗岩残积土[17]循环加卸载3次趋于稳定明显不同。第1次加载400 kPa产生的分级沉降量和分级塑性变形量较小，是因为预压较大。

② 循环荷载较大时，分级弹性变形随加载次数增加而减小，这对于工地压实是有利的；循环荷载较小时，分级弹性变形随加载次数增加而增大，这对于工地压实是不利的。再次说明选择高吨位压路机能明显提高土体的压实度。

3结论

① 土石混合体压缩曲线整体上呈上凸型，回弹曲线平缓圆滑、均呈微下凹型，说明土石混合体为非理想弹性体；第i+1次压缩回弹曲线均位于第i次曲线下方，线形相似；超压曲线具有记忆效应。

② 分级加载比1次加载产生的变形大；循环荷载和加载次数增加，累积总变形和累积塑性变形增大。分级总变形量和分级塑性变形量随加载次数增加而减小，减小率也不断减小。循环荷载较大时，分级弹性变形随加载次数增加而减小。

③ 工地碾压过程中，采用高吨位压路机或者轻重机具组合多次碾压，能有效提高土石混合体的压实度。

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Experimental Study of Compression Deformation For Tunnel Waste Slag

ZOU Tuanjie1， ZHOU Dequan2，3， LI Xiaohu1, DENG Chao2

(1.Hunan Provincial Yonglon Expressway Construction and DevelopmentCo.Ltd， Yongshun, Hunan 416700, China；2.School of Civil Engineering and Architecture， Changsha University of Science & Technology， Changsha, Hunan 410114, China；3.Collaborative Innovation Centre of Disaster Prevention and Environmental Restoration Technology for Geotechnical Engineering Construction， Changsha University of Science & Technology， Changsha, Hunan 410114, China)

[Abstract]The soil rock mixture formed by the tunnelwaste slag is used as roadbed filler，and the compaction control is more difficult.Sampleswere obtained from the daba tunnel of the yonglon expressway，and model tests of soil rock mixture compacted were carried out.The study results are shown as follows： ①The compression curves of soil rock mixture are overallconvex type in plate loading test，therebound curves are smooth and slightlyconcave type.The(i+1)-th compression-rebound curve is located below the i-th curve，and has the similar linearity.The overpressure curvehas memory effect. ②The deformation caused by the step loading is larger than that of the 1 loading.The cumulative total deformation and cumulative plastic deformation increase with the increase of cyclic loading and loading times.The classification total and plastic deformation are decreased with the increase of loading times，and the decreasing rate is also decreased.When the cyclic load is large，the classification elastic deformation decreases with the increase of the loading times. ③In the site rolling process，the use of high tonnage roller and the combination rolling of light and weight equipment can effectively improve the compaction degree of soil rock mixture.

[Key words]tunnel waste slag； soil rock mixture； compaction； model test

[中图分类号]TU 413； U 451+.5

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0191—05

[作者简介]邹团结(1974—)，男，湖南邵阳人，高级工程师，从事高速公路建设与管理工作。

[基金项目]湖南省交通运输厅科技项目(No.201304)

[收稿日期]2016—02—17