干湿循环对隧道围岩变形和渗流特性的影响

摘要

干湿循环引起的突水是隧洞开挖中的一个难题。为研究干湿循环次数对隧道围岩稳定性的影响，对不同干湿循环次数下的隧道开挖过程进行了物理试验和数值模拟。分析了应力、位移和孔隙水压力的变化规律。随着循环次数的增加，隧道围岩孔隙水压力、竖向应力和上下进路逐渐增大。其增长过程可分为三个阶段:轻微增长阶段、缓慢增长阶段和急剧增长阶段。围岩在干湿循环作用下的破坏过程从顶板到侧壁逐渐发生，底板变化较小。模拟结果表明:巷道围岩最大主应力增大，最小主应力减小;随着距离隧道地表距离的增加，岩体位移逐渐减小。通过仿真结果与实验结果的比较，表明仿真结果具有良好的一致性。研究结果可为干湿循环条件下隧道的安全开挖和科学设计提供有益的参考。

1.介绍

随着隧道工程向山区发展，干湿循环对围岩的影响引起了众多学者的关注。水-岩相互作用会影响岩石的性能，进而影响岩石工程的稳定性[1- - - - - -4]干湿循环在许多特殊类型的工程中起着重要作用，例如岩溶地区的隧道施工、水库或大坝的水位波动以及季节性降雨[5- - - - - -7］.

为了解决这些特殊的工程问题，许多研究人员进行了许多实验室试验，以研究干湿循环对岩体物理力学性质的影响，特别是强度和变形[8- - - - - -11].夏季和百叶窗[12]研究了4组不同含水率砂岩试样的物理力学性能。研究结果明确了砂岩在不同干湿振幅下的风化机理及控制因素。库姆斯和内勒[13]通过扫描电子显微镜（SEM）研究了不同干湿循环次数的石灰石、花岗岩、混凝土等材料的风化机理。Jeng等人[14探讨了砂岩润湿劣化机制的研究，如强度和变形。结果表明，由于润湿干燥循环，砂岩的单轴抗压强度降低了40％，弹性模量减少了50％。李等人。[15]通过三轴压缩试验研究了含水率对变质砂岩试样强度和变形特性的影响。他们发现，水对被测岩石变形能力的影响表现为杨氏模量的降低和泊松比的增加，这表明在相同应力条件下，湿变质沉积岩比干变质沉积岩变形更大。

此外，还进行了模型试验和数值模拟，研究了干湿循环作用下隧道围岩的整体稳定性[16- - - - - -18]尹等人[19]，通过理论研究和现场实测，揭示了采动水条件区，并通过水压得到了水力裂缝的产生条件。Ma et al. [20.]开展了一系列渗流诱发颗粒侵蚀试验，研究了侵蚀渗流对破碎红色砂岩水力特性的影响。实验结果表明，随着侵蚀渗流过程的进行，试样的孔隙度和渗透率增大，非达西系数减小。此外，Ma等人[21]利用FLAC软件研究了颗粒侵蚀对岩溶陷落柱突水机理的影响^{3 d}数值模拟。通过数值模拟，得到了土体沿程剪切应力场、渗流场和塑性区的演化规律，并分析了影响突水的因素。姚等人[22]基于地下水动力学理论和多孔介质渗流理论，建立了岩溶陷落柱的流固耦合模型。周等[23使用改进的分裂Hopkinson压力棒（SHPB）设置进行干燥和饱和砂岩样品的动态缺口半圆形弯曲（NSCB）试验。测试结果表明，饱和样品的动态断裂起始，传播韧性和裂纹传播速度明显低于相同加载速率的干燥剂。Bidgoli和Jing [24]通过离散单元法（DEM）评估了水压对裂隙岩体强度和变形参数的影响。

以前的大多数研究主要集中在润湿干燥循环下的裂缝的坡度稳定性和进化法。进行了几种地质力学模型测试，以研究润湿干燥循环的效果下隧道周围岩石的不稳定故障行为和水涌。在这项研究中，主要任务是研究润湿干燥循环下周围岩石的稳定性问题。基于宁夏宁夏省的六山山隧道建立了物理实验模型。根据实验结果研究了不同循环编号下的孔隙水压力，应力和位移的演变。此外，还进行了相关的数值模拟以验证模型测试结果并补偿缺少测试数据。进一步揭示了润湿干燥循环下的主应力分布和变形特性，为地下工程中防止水中涌入的理论依据。

2.物理实验

2．1．工程地质条件

六盘山隧道位于宁夏青兰高速公路上。设计为单孔分离隧道，左右线间距31-48米。通过工程计算分析，隧道入水总水量为17427.6 m^3./d，最大进水水量为37999.4 m^3./d、 经现场踏勘，围岩主要为砂岩，由于地质和工程影响，隧道内砂岩不完整，存在节理、裂隙等多种裂隙，这些节理、裂隙使围岩渗透，产生干湿交替作用，大块砂岩在隧道现场收集ne并带回实验室进行实验分析1(一))显示该隧道的主要矿物为石英、二氧化硅、白云石和方解石。从XRF结果(见图)1 (b))，很明显，主要化合物是SiO₂，公司₂曹,艾尔₂O_3.、MgO分别占34.62%、24.5%、13.8%、10.34%、7.88%。制备的砂岩试件经一系列加工后进行常规三轴压缩试验，试件直径为50 mm，试件高度为100 mm。

2.2.相似材料和相似比

在模型试验研究中，材料的选择和相似材料的比例是非常重要的，这些因素不仅决定了模型能否正确反映原型的特性，而且决定了模型处理的难度和试验的顺利进行rch结果和充分考虑流固耦合特性，选择河砂和滑石粉作为骨料材料，选择石蜡和液压油作为胶结材料，用这些材料按合理比例制作相似试件，材料的配合比保持物理相似性尽可能多，如密度 ，孔隙度 ，单轴抗压强度 ，弹性模量 ，抗拉强度 ，凝聚力 ，和内部摩擦 ．

通过混合水平正交试验确定了最佳材料配比。根据正交试验原理，设计并制作了不同比例的试件。试样制备完成后，用称重法测量孔隙度和密度。更具体地说，是 mm用于单轴压缩试验，以测量单轴抗压强度弹性模量 ，标本的 mm用于巴西劈裂试验，以确定拉伸强度 ，和标本 mm进行剪切试验，获得黏聚力和内部摩擦 ．经大量试验，采用河砂、滑石粉、石蜡和液压油组成的质量比为23.0:3.5:1.5:1.0的类似材料模拟砂岩。试验方法依据《工程岩石试验方法标准》(GB/T 502666-2013) [25］.根据岩石及类似材料的实验数据，砂岩及类似材料的物理力学性能如表所示1．

物理模型试验必须满足一些基本的相似性要求，如几何、物理力学性能和边界条件。原型参数与模型参数之比定义为相似比，相似比通常为常数[26］.根据工程地质条件，确定本模型试验的几何相似比为100，体重相似比为1.24 [27- - - - - -29］.

2．3.物理实验系统

为了探索干湿循环作用下岩溶区突水的过程和机理，自主开发了一套岩溶隧道突水灾害可视化测试系统，如图所示2该系统主要由加载装置、液压加载系统和数据采集系统组成。实验框架由厚度为12 mm的无缝焊接钢板制成 mm，框架的净尺寸为  mm. The 5 cm apart bolt holes around the frame are reserved to connect the flange. And a transparent glass is equipped on the outside of flange to observe the deformation and failure process of the tunnel surrounding rock. In order to ensure the sealing performance between the glass plate and flange, a water-blocking rubber belt is embedded in the inner side of the bolt hole. In addition, the hydraulic loading system has the advantage of gas-liquid combination, which uses a group of nitrogen cylinder with servo control to provide pressure. Therefore, the water in the tank is driven to provide a stable water pressure for the water storage structure of the test system. According to the geometric relationship between the water storage structure and model tunnel, a section of a PVC pipe with an inner diameter of 50 mm is combined with a stripper rubber to simulate the water storage structure.

２.４.干湿循环模型试验条件及生产程序

数字3.给出了干湿循环作用下隧道围岩的模拟试验条件。隧道高72 mm，宽110 mm。岩溶结构底边距隧道拱顶40mm。在隧道拱顶上方20mm处设置一个测量范围为1mpa的渗透压计。渗透计的传感器为圆柱形，直径为5mm，长度为20mm。传感器的安装方向与水压加载方向一致。渗透压计通过固定信号放大器与计算机相连。如图所示，隧道周围分布着三个压力单元3.．这些压力元件的直径和厚度分别为17和8毫米，最大测试能力为1 MPa。

数字4展示了物理模型试验的制作流程，可分为六个步骤，具体如下:

第1步：搅拌前将类似物料的组分按比例分别称重，为使搅拌均匀，先将滑石粉和河砂在搅拌机内搅拌均匀，同时将搅拌机底部连续加热，然后在搅拌机内加入液压油和熔融石蜡，搅拌均匀h与先前的混合材料充分搅拌

步骤2：为了提高实验数据的准确性，在机架和加载板上刷润滑油以减少摩擦，如图所示4(一)

第三步:将搅拌均匀的类似材料分批倒入试验台。类似的材料需要每10厘米厚振动捣实一次，才能变得牢固。将类似材料铺设到规定位置后，分别埋设蓄水结构、压力箱、渗透压计等传感器，如图4 (b)- - - - - -4 (d)

步骤四:浇筑类似材料后，保存48小时冷却凝固。加载装置安装在模型的上部，施加一定的原位应力载荷

第五步:原位应力恒定6h后进行隧道开挖。然后，安装位移传感器对隧道上下进路进行测量。位移传感器为KTR-G系列，行程范围为25 mm，测量精度为0.01 mm。为了减小误差，在位移传感器安装后6小时进行干湿循环，如图所示4 (e)和4（f）在此期间，对所有组件、设备和采集仪器进行了连接和调试

步骤6:根据现场试验数据，通过相似度计算，计算模型施加的水压力。如表所示2，当干湿循环次数 ，水压先由0增大到0.03 MPa;然后在卸载前保持此压力值30分钟不变。为使模型达到预设的干燥状态，模型保持120分钟。在此过程中，蓄水结构内的水会继续从隧道围岩中流出，这实际上是一个卸荷水压力的过程。因此，下一个循环时的水压力为零，从而模拟隧道围岩的干湿循环过程。当 ，水压从0增加到0.06 MPa，其余过程相同 ~ 8时，每个加载周期的增量也为0.03 MPa。

3.结果和分析

3.1.孔隙水压力的变化

数字5显示隧道围岩的水涌气过程经受润湿干燥的交替。作为小于2时，隧道开挖面无渗水观测。当 ，在隧道拱顶的右侧，有几滴水开始漏出，这些水分布不均匀 ，可以观察到越来越多的水滴渗出，渗透区域向隧道拱顶左侧和顶部延伸。在在5 ~ 6范围内，渗透加剧，表现为水从整个拱顶渗漏，渗透区域延伸至侧壁。更重要的是，一些地区的水是线性流动的。当N=7时，整个拱顶和两侧壁有大量的水滴或线状水流流出，说明隧道已形成突水。

孔隙水压力在干湿过程的每个循环中都会发生变化。在每个循环中，孔隙水压力先增大后趋于稳定。在不稳定阶段，围岩中的水处于流动和调节状态，所测孔隙水压力会受到传感器安装方向的影响。而在水稳定阶段，被测值基本保持不变。因此，为了减少数据的误差，本文主要考虑稳定阶段的孔隙水压力。不同干湿循环次数下孔隙水压力的变化如图所示6．随着 ，孔隙水压力总体呈上升趋势，根据孔隙水压力的变化趋势，可进一步划分为三个阶段：轻微上升阶段（1）^圣－2^nd)，缓慢递增阶段(2^nd5^th)，急剧增长阶段(5^th7^th)，如图所示6．作为从1到2，传感器所在位置的孔隙水压力值略有增大。在在2 ~ 5范围内，孔隙水压力呈现缓慢增加的趋势，从4.73 kPa增加到15.61 kPa，增加10.88 kPa。在 ~ 7时，孔隙水压力急剧增大，从15.61 kPa增至77.62 kPa，增量为 kPa. It can be seen that the pore water pressure has an intrinsic connection with the wetting-drying cycle, but it is not a linear relationship.

在干湿循环过程中，矿物的摩擦系数在水诱导的润滑和粘结弱化耦合作用下减小，导致内摩擦减小。围岩中粘土颗粒等可溶性物质的析出和分离，使得围岩孔隙度增大，渗透性提高[30.- - - - - -32]值得一提的是，模型中围岩的初始孔隙度为8.73%。另一方面，随着水压的增加，围岩的渗透压力增加。但是，隧道围岩的承载力降低[33］.更重要的是，由于循环数量和水压的增加，这种效果加剧。很容易看到孔隙水压力不连续，特别是在后 ．

3．2.垂直应力和位移的变化

为了进一步探讨干湿循环对隧道围岩的影响，本文分析了隧道两侧及底板竖向应力的变化(图)7)，以及从上到下的方法(图8）基于实验结果。如图所示7，随着… ，隧道壁面两侧的竖向应力也随之增大。左壁竖向应力由150.64 kPa增加到172.84 kPa，增加14.74%。右壁从150.48 kPa增加到180.28 kPa，增加了19.80%。这个垂直的应力演化相对于也可以分为三个阶段，这与孔隙水压力的变化相似。而干湿循环对隧道底板竖向应力的影响不显著。在试验过程中，底板的垂直应力保持较低水平。在试验结束时，该应力在隧道发生突水后略有增加。这些结果都表明，岩溶水压力由于渗流作用会对围岩产生附加压力。随着…的增加 ，围岩孔隙度增大，渗流现象越来越明显。因此，隧道主体结构的地应力增大，隧道两侧围岩的竖向应力增大。当涌水出现时，隧道顶部的一些石块会脱落。因此，在试验结束时，底板的竖向应力略有增加。

数字8给出了不同干湿循环次数下隧道围岩上、下进路的变化规律。可以看出，随着……的增加 ，隧道顶底引进有增加的趋势。此外，该方法的发展可以明显分为三个阶段。作为从1到2的变化，方法有轻微的增加，只有0.02毫米。在在2 ~ 5范围内，该方法呈缓慢增加趋势，仅增加0.16 mm。为 ~ 7时，该方法急剧增加，从0.18毫米增加到1.74毫米，增加了866.67%。由于以下原因，干湿循环导致拱顶岩体孔隙度及相应含水率增加。进而间接引起地应力的增大。隧道开挖完成后，拱顶失去了原有的支撑。因此，在地应力的作用下有下降的趋势。随着干湿循环次数的增加，下降趋势更加明显。同时，围岩孔隙度变大，渗流通道变宽，最终导致隧道的破坏。

3．3.干湿循环和水压的叠加效应

在模型实验过程中，随着 ，水的压力也增加了。隧道发生突水时，既有水压力增大的作用，也有干湿交替作用下围岩强度退化的结果。因此，分析了干湿循环和水压力对围岩变形的叠加效应。首先，将隧道与溶洞之间的地层简化为均布荷载作用下的夹紧梁理论模型，如图所示9．在该模型中，梁的高度和跨度为和 ，宽度计算为1m。岩体的容重为 ，均匀的水压是 ．

由于蓄水结构位于地层的顶部，地层的最大挠度发生在跨度的中间。根据结构力学推导，最大挠度与最大挠度之间存在线性关系及竖向分布荷载( ），可表示为式(1). 在哪里和分别表示弹性模量和惯性矩。

根据式(1)及砂岩试样的物理及力学性质[34]，最大挠度与水压之间的关系如图所示10.水压确实对最大挠度有很大影响。随着水压的增加，最大挠度逐渐增大。但是，两种情况之间的差值随着水压的增加而增大，该差值的面积代表干湿交替的影响n关于最大挠度。

总的来说，水压确实对隧道的稳定性有很大的影响。但随着水压的增加，干湿循环的影响明显增加。结合我们的试验方案，当越大，干湿循环也有很大的影响，干湿循环引起的围岩强度劣化不容忽视，这也说明了研究干湿循环作用下隧道围岩劣化特性的重要意义。

4.模拟仿真

4.1.数值模型构造

为验证物理实验结果，采用通用离散元代码(UDEC)进行了数值模拟。在UDEC模拟中，刚性块体和可变形块体的组合通过使用有限数量的相交不连续来表示感兴趣的计算域。将域视为块之间的边界条件[35］.断裂过程可以用块间接触的变化来表示。

在该模拟中，基于物理实验结果，借助UDEC，提出了一种数值计算方法，研究了干湿循环作用下的突水、变形和破坏机理。数字11给出了数值模拟的基本计算流程，其中: ， ，和表示对应的水压、密度、弹性模量为 ．从图中可以看出，数值模拟的过程与模型实验的过程基本一致，只是第一个循环的水压力值为0.5 MPa，每个增量为0.5 MPa。本文仿真所用的基本参数是根据前人的研究和实验数据得出的[34，36，37］.抗压强度的变化 ，峰值应变 ，弹性模量 ，和割线模量对可以用指数函数表示:

数字12演示了基于扩散范围的退化区域迭代方法。当 ，围岩中渗透扩散边界为1#，扩散区域为a 进入损伤退化模型，计算物理力学性能。当 ，渗透边界扩散到2＃。此时，地区的使用 代入理论模型进行计算，而区域“a”使用 计算。什么时候 ，渗透边界进一步扩散到3#。然后，区域“c”使用 将区域b代入理论模型进行计算 用于计算，区域a使用 用于计算。随着 ，以这种方式更新和分配损伤恶化区域的物理和机械性能。根据模型试验实测数据，当渗透长度达到隧道长度的30%左右时，会发生突水。因此，当渗透长度达到隧道长度的30%时，UDEC模拟结束。

4．2．仿真结果分析

隧道围岩的最大、最小主应力也受干湿循环的影响，如图所示13和14．随着…的增加 ，最大主应力呈上升趋势，底板最大主应力变化更为明显，如图所示13最大主应力在40到50之间 MPa位于底板的一个区域内。此外，该区域随着增加。而对隧道侧壁和顶板的最大主应力影响不大，这些地方的最大主应力略有增大。增加 ，隧道围岩最小主应力趋于减小，但变化不明显。图14演示了最小主应力的演化过程。突水发生前，隧道围岩的最小主应力主要在0 ~ 10 MPa之间。其余部分在突水后降至10mpa以下。应该注意的是，当 ，隧道地表附近的围岩中出现了细长裂纹。随着…的增加 ，从这些图中可以看出，围岩存在明显的应力集中，表明裂纹中部最大和最小主应力较小，而裂纹端的主应力最大。

数字15显示了隧道围岩的位移演化过程，其中指向隧道中心位移为正。可以看出，隧道的所有部分都向隧道中心产生了正位移。在位置的影响下，随着测点距隧道地表距离的增加，测点位移逐渐减小。另一方面，不同位置的围岩最大位移变化较大。其中，隧道顶板处围岩位移最大，达到243.78 mm，隧道侧壁处位移为35.00 mm，隧道底板处位移最小，仅为23.00 mm。至于干湿循环的影响，随增加而增加 ，隧道顶部围岩位移明显增加，侧壁位移增加不明显，底板位移基本没有变化。以距离隧道顶板表面1 m处的测点为例，位移在 ，4,6和8分别为49.67,104.00,155.63和243.78mm，在润湿干燥循环的效果下增加390.80％。

数字16反映了物理实验与数值模拟的破坏对比 ．这些数字直接反映出隧道顶板破坏严重。而隧道两侧壁围岩损伤较小。物理实验与数值模拟具有很大的一致性，这可以从以往结果的变化中得到合理的解释。例如，从图中可以看出(15日)隧道屋顶的最大位移何时达到323.81毫米 ，在距隧道顶板表面0.5 m处 ．研究结果表明:巷道顶板岩体在一定厚度范围内发生脱落;也就是说，围岩受到了一定程度的破坏。

5.结论

本研究以六盘山隧道工况为背景，通过物理模型试验和UDEC模拟，探讨了干湿循环作用下岩溶地区隧道突水的过程和机理。基于这些结果，可以得出如下结论:(1）根据砂岩的物理力学性能，研制出河砂、滑石粉、石蜡、液压油质量比为23.0:3.5:1.5:1.0的最佳配比相近材料。并利用该材料建立了物理实验系统（2）干湿循环对隧道围岩的力学性能有负面影响。随着…的增加 ，隧道围岩的孔隙水压力、竖向应力和上下进路逐渐增大。此外，这些趋势具有相似的变化规律，依次表现为轻微、缓慢和剧烈变化三个阶段（3）干湿循环是导致隧道围岩破坏失稳的重要因素。通过数值模拟，进一步讨论了干湿循环的影响。干湿循环对隧道的稳定性影响较大，特别是5^th周期。从顶板到侧壁的破坏过程是逐渐发生的，而底板的变化较小

在本研究中，研究了干湿循环对隧道稳定性的影响，特别是应力和位移的演化。为了进一步了解其影响，将利用DIC等先进技术开展更多的试验和数值研究，研究隧道围岩的应变演化。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（51704279，51734009和51579239）和中国江苏省的自然科学基金提供资金（No. BK20170270）。作者还希望承认中国矿业大学海博·贝亚教授，为岩石识别提供帮助。

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