熱害隧道全長粘結(jié)式錨桿力學(xué)性能及損傷機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

錨桿支護(hù)是保證隧道圍巖穩(wěn)定的一種有效支護(hù)方式，其錨固體系本身的性能、灌漿料與圍巖基體之間的粘結(jié)性能是關(guān)系到支護(hù)結(jié)構(gòu)作用能否很好發(fā)揮的關(guān)鍵問題。隨著隧道建設(shè)逐漸向長大深埋方向發(fā)展，熱害（高地溫）問題日漸突出，在濕（干）熱環(huán)境下，灌漿料的物理性能指標(biāo)、灌漿料與錨桿（第一界面）及灌漿料與圍巖（第二界面）的粘結(jié)性能都會(huì)發(fā)生較大的變化，可能出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮加劇、系統(tǒng)體積穩(wěn)定性變差以及第一、第二界面粘結(jié)力嚴(yán)重?fù)p失，甚至脫粘開裂喪失支護(hù)作用。本項(xiàng)目通過材料組配性能試驗(yàn)、模擬環(huán)境試驗(yàn)和數(shù)值方法及微觀測試技術(shù)研究揭示不同高地溫情況下灌漿料物理性能、第一界面及第二界面粘結(jié)力學(xué)性能的變化規(guī)律，熱微觀結(jié)構(gòu)及界面過渡區(qū)作用機(jī)理。建立高地溫情況下第一界面及第二界面粘結(jié)力學(xué)模型及脫粘損傷判據(jù)。分析熱害對(duì)灌漿料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響，提出有效的熱害情況下灌漿料及錨桿的合理組成材料和施工措施，以保證圍巖支護(hù)安全及長期穩(wěn)定。

在模擬熱害環(huán)境基礎(chǔ)上，通過材料組配性能試驗(yàn)、錨桿拉拔模型試驗(yàn)、界面粘結(jié)力試驗(yàn)及掃描電鏡等微觀試驗(yàn)展開相關(guān)研究工作。主要進(jìn)行的研究工作包括： （1）研究了水泥灌漿料在不同溫度（20℃、35℃、50℃、70℃）及濕度條件下抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。研究表明：濕熱環(huán)境下水泥砂漿灌漿料的抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高而升高；干熱環(huán)境下水泥灌漿料的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出倒縮的趨勢(shì)。濕熱環(huán)境影響灌漿料強(qiáng)度的主要原因是早期高溫養(yǎng)護(hù)效應(yīng)，而干熱環(huán)境下灌漿料抗壓強(qiáng)度損失機(jī)理更加復(fù)雜，水化不充分，材料失水導(dǎo)致干縮、不良界面效應(yīng)等。 （2）分析了高溫條件下灌漿料的收縮機(jī)理和抑制措施。分別對(duì)比了水膠比、膠砂比、摻和料種類和含量對(duì)水泥漿體收縮的影響，結(jié)果表明：增大水膠比，水泥漿體的收縮也隨之增大；收縮主要發(fā)生在較早的齡期；相同水膠比下，水泥膠砂試件的收縮要小于純水泥試件；摻入30%粉煤灰、2%玄武巖纖維、10%重晶石粉和2%短鋼纖維能夠有效抑制水泥漿體的收縮。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出不同配合比和礦物摻合料的收縮率預(yù)測模型。 （3）設(shè)計(jì)了干熱環(huán)境下不同溫度及圍巖粗糙度下錨桿灌漿料抗拔強(qiáng)度的試驗(yàn)。結(jié)果表明：錨桿的養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)試件在第一、二界面拉拔試驗(yàn)中的破壞模式影響較小，但不同粗糙度的錨桿其破壞模式差異較大；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度低于35℃時(shí)，錨桿的抗拔強(qiáng)度隨溫度升高而增大，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度高于50℃時(shí)，錨桿的抗拔強(qiáng)度隨溫度升高而減??；對(duì)于無螺紋錨桿試件，第一界面的黏結(jié)強(qiáng)度大于第二界面，此類錨桿在工程應(yīng)用中第二界面較第一界面更容易發(fā)生剪切破壞。圍巖的粗糙度對(duì)錨桿的抗拔強(qiáng)度有較大的影響，圍巖粗糙度越大，錨桿的抗拔強(qiáng)度越高，錨固效果越好。 （4）針對(duì)錨固段1000mm長的錨固體試件展開界面粘結(jié)應(yīng)力分布試驗(yàn)研究，得到錨桿與灌漿體界面的軸力和剪應(yīng)力分布隨溫度的升高，錨固段最大剪應(yīng)力值越小，軸力沿錨固段長度衰減快。 研究成果可為改善熱害隧道圍巖支護(hù)中灌漿料及錨桿與灌漿料粘結(jié)性能提供一定的技術(shù)支持。 2100433B

熱害隧道噴射混凝土性能研究的核心問題是粘結(jié)問題和變形問題。本項(xiàng)目在模擬熱害環(huán)境基礎(chǔ)上，通過宏觀試驗(yàn)和微觀測試分析等技術(shù)手段展開相關(guān)研究。主要進(jìn)行的研究和創(chuàng)新工作包括：（1）設(shè)計(jì)2種噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)（C25、C30）和4種溫度工況（20℃、35℃、50℃、70℃），研究了干熱和濕熱環(huán)境對(duì)噴射混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律，揭示其影響機(jī)理，進(jìn)一步證明了熱害對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的不利影響。（2）研究了不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下噴射混凝土的變形性能，并特別研究了干熱環(huán)境下纖維和礦物摻合料對(duì)噴射混凝土收縮變形的抑制效果. （3）從兩個(gè)角度(即在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上摻加礦物摻合料或纖維材料)進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度改善探索性研究，并通過微觀測試技術(shù)分析了改善效果和改善機(jī)理。結(jié)果表明干熱環(huán)境下?lián)郊愉摾w維，濕熱環(huán)境下?lián)郊拥V物摻合料，兩個(gè)措施均可以明顯改善噴射混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。（4）通過電通量試驗(yàn)，對(duì)熱害環(huán)境噴射混凝土耐久性進(jìn)行了初探。研究成果可為改善熱害隧道初期支護(hù)混凝土性能提供技術(shù)支撐。 2100433B

斷層錯(cuò)動(dòng)是造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)變形過大甚至破壞的主要因素，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于斷層錯(cuò)動(dòng)開展了不少研究，但多針對(duì)管線破壞機(jī)理，關(guān)于跨斷層隧道破壞機(jī)理的研究較少。本項(xiàng)目針對(duì)逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)問題，通過案例調(diào)研、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算及理論分析等手段，研究錯(cuò)動(dòng)位移下圍巖變形、跨斷層隧道變形破壞特征，分析逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下隧道破壞時(shí)的錯(cuò)動(dòng)位移量以及破壞過程、形態(tài)、區(qū)域，揭示斷層傾角等關(guān)鍵因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)及破壞范圍的影響規(guī)律，提出逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下隧道結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理；對(duì)比分析不同鉸接襯砌節(jié)段長度、剪切縫寬度等對(duì)結(jié)構(gòu)變形、破壞的影響，提出隧道結(jié)構(gòu)的抗錯(cuò)斷合理設(shè)計(jì)參數(shù)。主要結(jié)論如下： 1）逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)時(shí)圍巖斷裂面為一向下盤發(fā)展的曲面，斷裂起始角與斷層傾角相同，隨錯(cuò)動(dòng)量增加逐漸產(chǎn)生分叉，形成三角剪切帶；斷層水平傳播距離、次斷層發(fā)展高度以及三角剪切帶最大寬度與斷層傾角呈正比關(guān)系，斷層傳播到地表所需的錯(cuò)動(dòng)位移與斷層傾角無關(guān)，不同埋深條件下斷層傳播引起圍巖變形差異不大； 2）隨錯(cuò)動(dòng)量增加上盤圍巖壓力發(fā)生明顯增幅，上盤距斷層線0.8倍斷面高度處圍壓最大、下盤距斷層0.8倍斷面高以外的區(qū)域圍壓趨于穩(wěn)定；埋深越大，上、下盤及斷層帶圍壓差異越明顯，埋深104m隧道拱頂最大土壓力是埋深30m隧道的3.25倍； 3）隧道結(jié)構(gòu)可視為一彈性地基梁，承受彎曲、剪切與擠壓組合作用，頂、底部外側(cè)受壓，拱腰外側(cè)受拉，上盤存在一個(gè)反彎點(diǎn)，受影響區(qū)域?yàn)閿鄬觾蓚?cè)共4.8倍斷面高度范圍；斷層傾角是影響隧道縱向穩(wěn)定性的主要因素，傾角越小，穩(wěn)定性越差； 4）結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為直接剪斷型破壞、張拉-擠壓型破壞、張拉-擠壓-剪切破壞三類，斷層傾角由75°變?yōu)?5°時(shí)，結(jié)構(gòu)由直接剪斷型破壞過渡為張拉-擠壓型破壞，破壞區(qū)域分別集中在斷層兩側(cè)1.1倍、1.4倍、1.8倍斷面寬度范圍內(nèi)； 5）依托工程合理抗錯(cuò)斷設(shè)計(jì)參數(shù)：仰拱半徑15m、C25二襯、厚55cm、變形縫間距10m、變形縫寬度0.5m。 6）研究成果已初步應(yīng)用于棋盤石隧道工程。 2100433B

逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)是地震造成跨斷層隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞的主要因素，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下管線的破壞機(jī)理、設(shè)計(jì)措施的研究較多，但是一般隧道斷面尺寸相對(duì)管線要大得多，所表現(xiàn)出來的破壞模式也不同，關(guān)于逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下跨斷層隧道破壞機(jī)理的研究較少。課題擬結(jié)合典型地震逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)（如汶川地震、臺(tái)灣集集地震）所引起的山嶺隧道破壞模式，通過1：50物理模型試驗(yàn)和數(shù)值方法研究錯(cuò)動(dòng)位移下地層變形、隧道與圍巖接觸壓力、襯砌表面的環(huán)向、縱向應(yīng)變以及裂縫的發(fā)生、發(fā)展過程，分析逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)變形下上覆山嶺隧道發(fā)生破壞時(shí)的錯(cuò)動(dòng)位移量以及襯砌結(jié)構(gòu)的破壞過程、方式以及區(qū)域，建立逆斷層粘滑錯(cuò)動(dòng)下上覆隧道的破壞機(jī)制與準(zhǔn)則，提出抗錯(cuò)斷的隧道結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，課題還擬對(duì)斷層傾角、圍巖性質(zhì)、隧道埋深、襯砌剛度、隧道軸線與斷層夾角對(duì)隧道結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、形態(tài)以及破壞范圍進(jìn)行敏感性分析。