深埋隧道噴射鋼纖維混凝土支護的數(shù)值模擬

宋 艷,朱珍德,張慧慧

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;3.上海建科工程咨詢有限公司國際金融中心項目部,上海 200030)

深埋隧道噴射鋼纖維混凝土支護的數(shù)值模擬

宋 艷1,2,朱珍德1,2,張慧慧3

(1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;3.上海建科工程咨詢有限公司國際金融中心項目部,上海 200030)

為了研究鋼纖維噴射混凝土在深埋隧道襯砌中的應(yīng)用,了解鋼纖維噴射混凝土在深井軟巖隧道中的支護效果,對不同類型纖維及不同纖維含量下的鋼纖維混凝土試件分別進行了抗壓、劈裂抗拉、抗剪及彎曲韌性4種室內(nèi)試驗。在試驗的基礎(chǔ)上進行FLAC3D三維模擬。模擬結(jié)果可知:隧道經(jīng)混凝土初砌后,剪切破壞區(qū)明顯減少,鋼纖維混凝土比普通混凝土有著更好的支護效果,頂?shù)准皟蓭鸵平枯^普通混凝土降低約7%。通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的對比,證實該數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為吻合,數(shù)值模擬的方法可為鋼纖維混凝土在深埋隧道襯砌中的推廣應(yīng)用提供參考。

鋼纖維混凝土;隧道襯砌;力學(xué)性能;數(shù)值模擬

0 引 言

鋼纖維噴射混凝土是由均勻散布有短鋼纖維的混凝土拌合料,借助壓縮空氣噴射成型的一種新型復(fù)合材料。與掛網(wǎng)噴射混凝土相比,鋼纖維噴射混凝土有著優(yōu)越的抗拉、抗剪、阻裂及高韌性等性能[1-4]。我國對鋼纖維噴射混凝土的應(yīng)用開始于20世紀80年代,目前的研究多集中于建筑物的修補與加固、邊坡支護、城市及鐵路等淺埋隧道等工程:張盛在分析配比試驗強度的基礎(chǔ)上,證實了鋼纖維噴射混凝土應(yīng)用于舊混凝土路面修補工程的可行性[5];孫役通過對鋼纖維噴射混凝土的物理力學(xué)特性及堆石壩面板受力變形進行分析,為鋼纖維噴射混凝土在面板堆石壩面板中的實際應(yīng)用提出了建議方案[6];劉明高等結(jié)合鋼纖維混凝土在公路隧道中的應(yīng)用,說明鋼纖維噴射混凝土可以很好地滿足隧道新奧法的要求,是一種理想的支護材料[7]。

隨著現(xiàn)代大型引水隧洞、深井巷道等對支護要求較高項目的不斷開發(fā),上述研究內(nèi)容已略顯不足,而目前鋼纖噴射維混凝土支護用于700 m以上埋深隧道的報告幾乎還沒有。深埋隧道由于受到高溫、高壓、高孔隙壓力的影響,其圍巖變形呈現(xiàn)了淺部隧道所沒有的一些特點,對深埋隧道噴射鋼纖維混凝土進行支護機理、支護技術(shù)及支護效果等方面的研究已顯得尤為重要。

筆者先從室內(nèi)試驗入手,研究了鋼纖維噴射混凝土抗壓、抗拉、抗剪及彎曲韌性等相關(guān)方面的力學(xué)性能,而后在試驗的基礎(chǔ)上對北方某一深埋800 m的軟巖隧道噴射鋼纖維混凝土進行了數(shù)值模擬,并將塑性區(qū)、隧道表面位移變化和襯砌最大應(yīng)力場三個方面的模擬結(jié)果與素混凝土比照進行了系統(tǒng)的分析。

1 鋼纖維噴射混凝土力學(xué)性能試驗研究

1.1 原材料

水泥:32.5號普通硅酸鹽水泥;骨料:中砂,細度模數(shù)為2.9;鋼纖維:剪切波浪型和剪切平直型兩種,均由嘉興經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn),等效直徑為0.39 mm,長徑比63,彈性模量220 MPa;速凝劑:RC減水劑;硅粉:平均粒徑100 nm,代替質(zhì)量10%的水泥。

1.2 試樣制備

共需進行抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗剪強度和彎曲韌性4種力學(xué)性能試驗。為使室內(nèi)試驗?zāi)芊磻?yīng)鋼纖維噴射混凝土的實際情況,試驗采用噴射成型切割加工而成的試件,尺寸為100 mm×100 mm×100 mm及100 mm×100 mm×400 mm。試驗儀器為WE-30型油壓式萬能試驗機及CSS44100電子萬能試驗機。每種試驗取4組試樣,每組4個。試驗配合比信息見表1。

表1 混凝土配合比

1.3 試驗結(jié)果分析

1.3.1 抗壓強度試驗

兩種類型纖維不同摻量下的試件抗壓強度如圖1所示,鋼纖維的摻入,使混凝土的抗壓強度有所提高,但提高幅度最高只有11%左右,所以鋼纖維對混凝土的抗壓強度提高是有限的。受壓的試件中,纖維存在于混凝土基體內(nèi)部僅充當集料的角色,抗壓性能主要由混凝土基體決定,加上試件采用振搗成型,纖維多順向排列,而又以側(cè)面做為承壓面,因此反映出受壓強度的增強不明顯的現(xiàn)象。

1.3.2 劈裂抗拉強度試驗

圖1 普通混凝土與鋼纖維混凝土抗壓強度對比圖

圖2為不同纖維摻量及不同類型鋼纖維的混凝土劈裂抗拉強度對比圖,由圖2可知,鋼纖維的摻入使混凝土的劈裂抗拉強度明顯提高。纖維摻量為40 kg/m3時,劈裂抗拉強度提高幅度在40%左右;摻量在50 kg/m3時,劈裂抗拉強度提高60%左右;摻量為60 kg/m3,劈裂抗拉強度可提高70%左右。這是因為鋼纖維的存在提高了混凝土的變形能力?；炷粱w開裂后,鋼纖維與基體界面間存在良好的黏結(jié)強度,這將使鋼纖維繼續(xù)承受截面的拉力并使基體裂縫逐漸擴展,直至黏結(jié)力小于纖維所承受的拉力,纖維從基體中被拔出,試件破壞。纖維在被拔出的過程中吸收大量的能量而做功,使混凝土試塊的抗拉強度得到較明顯的提高。

圖2 普通混凝土與鋼纖維混凝土抗拉強度對比圖

1.3.3 抗剪強度試驗

圖3為不同纖維摻量及類型的混凝土試件抗剪強度對比圖。如圖3所示,當立方米鋼纖維含量由0 kg分別增加到40 kg、50 kg和60 kg時,抗剪強度有著不同程度的提高,可見鋼纖維的存在顯著地提高了混凝土的抗剪性能。

圖3 普通混凝土與鋼纖維混凝土抗剪強度對比圖

1.3.4 彎曲韌性及初裂強度試驗

利用ASTM-C1018彎曲韌性指數(shù)法[8-10]計算出不同試件所對應(yīng)的初裂強度、彎曲韌性指數(shù) ηC5、ηC10、ηC30及承載力變化系數(shù),以理想彈塑性材料的承載力變化系數(shù)值1作為評價指標,計算結(jié)果見表2。

表2 鋼纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)

由表2可得出以下結(jié)論:

(1)摻雜了鋼纖維的混凝土承載力變化系數(shù)較普通混凝土接近甚至超過理想彈塑性材料的值1,且纖維含量為60 kg/m3的鋼纖維混凝土比40 kg/m3和50 kg/m3的更符合理想彈性材料的標準。

(2)在其他參數(shù)一樣時,剪切波浪型鋼纖維的增韌效果要略優(yōu)于等量的剪切平直型鋼纖維。

2 深井軟巖隧道鋼纖維噴射混凝土支護數(shù)值模擬

2.1 地質(zhì)概況

北方某煤礦一水平隧道總長200 m,埋深800 m左右,屬于深井開采。此隧道周圍巖性以泥巖為主,含有砂巖、煤及灰?guī)r等,頂板破碎,不穩(wěn)定,采用錨噴支護(先噴后錨)。

2.2 模擬概況

利用FLAC3D軟件對此隧道進行開挖初砌的三維有限元模擬,計算網(wǎng)格如圖4,隧道模型選擇直墻半圓拱,直墻高1 500 mm,圓拱半徑 2 500 mm,巷道寬5 000 mm,采用摩爾彈塑性模型。襯砌支護材料分別選普通混凝土(彈性模量26GPa)和鋼纖維混凝土(彈性模量27 GPa)兩種,泊松比均為0.22,噴層厚度取150 mm,圍巖參數(shù)見表3。

圖4 計算網(wǎng)格圖

表3 圍巖參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 隧道圍巖塑性區(qū)分布特征

圍巖塑性區(qū)分布是隧道可靠性狀態(tài)的重要標志,同時也是認定圍巖剪切和拉伸破壞形式的重要途徑[11],圖5反映了不同襯砌形式巷道圍巖的塑性區(qū)分布特征。由圖5可得以下結(jié)論:

(1)巖體在開挖前期主要發(fā)生了剪切破壞和拉伸破壞,隨著應(yīng)力二次重分布的進行,破壞區(qū)域重新具有承載能力,巖體拉伸破壞消失。

(2)對巷道進行初砌后,處于塑性狀態(tài)的單元數(shù)量明顯減少,尤其是隧道底部和拱頂部分,塑性區(qū)深度降低,這一變化對實際工程的支護方案設(shè)計影響較大。

圖5 圍巖塑性區(qū)分布特征圖

(3)相同噴層厚度,鋼纖維混凝土底部塑性區(qū)深度幾乎為0,相比之下素混凝土支護在隧道底部某些地方剪切破壞區(qū)深度較高,由此可知,要達到相同的襯砌支護效果,使用鋼纖維混凝土可減少襯砌厚度,降低工程造價。

2.3.2 隧道圍巖位移變化特征

未支護的隧道開挖卸荷后,圍巖向隧道內(nèi)部發(fā)生回彈收斂,主要特點是拱頂下沉,拱側(cè)壁發(fā)生內(nèi)鼓,底板發(fā)生上鼓,其中最大位移發(fā)生在拱頂,對隧道進行素混凝土及鋼纖維混凝土襯砌支護后最大回彈量均有所減小。

通過模擬,襯砌前隧道頂?shù)紫鄬ξ灰萍皟蓭偷南鄬ξ灰?在對隧道進行襯砌后,其位移變形有明顯的減少:噴射素混凝土?xí)r頂?shù)紫鄬ξ灰萍皟蓭拖鄬ξ灰贫加薪档汀Ｓ纱丝烧f明鋼纖維混凝土支護相對于素混凝土支護可以更好地抑制圍巖變形,一定程度上保證圍巖的穩(wěn)定性。

2.3.3 襯砌結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分部特征

模擬結(jié)果說明隧道拱頂處襯砌沿隧道深度壓應(yīng)力與拉應(yīng)力交替出現(xiàn),以壓應(yīng)力為主,拱腹腰、和拱腳處則以受拉為主。素混凝土支護時,拱頂最大壓應(yīng)力達到9 GPa,兩側(cè)拉應(yīng)力約為1 MPa,底部最大拉應(yīng)力為5 MPa,出現(xiàn)在拱腳處,可見拱腳處存在著一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象,在施工中應(yīng)注意予以避免;隧道噴射鋼纖維混凝土,頂部受最大壓應(yīng)力降低至178MPa,雖然拱腳處最大拉應(yīng)力也為5 MPa,但左右腰腹及底部拉應(yīng)力范圍有所減少。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是,鋼纖維噴射混凝土具較好的柔性,利于底層壓力及圍巖變形能的釋放;其抗彎拉強度的提高可使支護結(jié)構(gòu)的承載力整體增強,支護結(jié)構(gòu)與圍巖易連成一體,與圍巖同步變形來保護和加固圍巖,進一步提高了圍巖整體性和穩(wěn)定性。

2.4 工程實測對比

為了研究上述數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性,現(xiàn)選取部分現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比驗證。

隧道周邊收斂量指隧道表面兩點間的距離變化,噴射鋼纖維混凝土試驗段頂?shù)装搴蛢蓭蛯挼氖諗坑^測值如圖6所示。隧道表面位移觀測值和數(shù)值模擬值的曲線變化規(guī)律相似,觀測值較數(shù)值模擬值稍大。

于噴射鋼纖維混凝土試驗段某斷面設(shè)置一觀測站,該觀測站設(shè)了5個觀測點,如圖7所示。觀測主要內(nèi)容包括隧道周邊收斂量和混凝土噴層應(yīng)力,所用儀器分別為CO-35型收斂儀、HGLZ-25型正弦式混凝土應(yīng)力計。

施工285天時,監(jiān)測到5個觀測點的徑向應(yīng)力分布情況如圖7所示,圖中(+)表示為拉應(yīng)力,(-)表示為壓應(yīng)力。由圖7可知,噴射鋼纖維混凝土隧道拱頂及右拱腰處徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力,左拱腰及左右邊墻處為拉應(yīng)力。

圖6 隧道表面收斂觀測值曲線

圖7 285天隧道表面應(yīng)力圖

從以上比較中可以看出,本文中數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果較為吻合,由此證明此數(shù)值模擬結(jié)果是可靠的,對工程實際具有一定的參考價值。

3 結(jié) 論

通過對鋼纖維混凝土的力學(xué)性能試驗研究及深井軟巖隧道襯砌的數(shù)值模擬結(jié)果分析,可得出以下結(jié)論:

(1)鋼纖維獨特的阻裂功能可以顯著改善混凝土基體中封閉孔所帶來的缺陷,將破壞方式由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有?使試件在基體開裂以后得以繼續(xù)承受荷載。

(2)各項力學(xué)性能試驗表明:鋼纖維混凝土的抗拉強度比素混凝土最多可提高1.7倍、抗剪強度、抗彎強度最多可提高1.9倍及1.6倍,彎曲韌性也得到顯著提高,但對抗壓強度的增強效果是有限的;并且在一定范圍內(nèi)鋼纖維混凝土的各項力學(xué)性能指標與纖維含量成正比,剪切波浪型鋼纖維的增強效果要強于剪切平直型。

(3)數(shù)值模擬的結(jié)果表明,隧道經(jīng)混凝土初砌后,塑性區(qū)的范圍、頂?shù)准皟蓭鸵平棵黠@減少,鋼纖維混凝土對抑制隧道變形破壞有著更好的效果;對隧道噴射鋼纖維混凝土支護,同樣的受力條件下較普通混凝土的噴層厚度減少,因此可降低工程造價;鋼纖維混凝土的薄層支護結(jié)構(gòu)可與圍巖緊密連成一體,既能對圍巖變形起到一定的抑制作用,又可與圍巖同步變形來保護和加固圍巖,充分發(fā)揮圍巖的自身承載力。

(4)將數(shù)值模擬結(jié)果與工程實際監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行對比,結(jié)果表明本文的數(shù)值模擬結(jié)果具有一定的參考價值。

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Numerical Simulation for Sprayed Steel Fiber Concrete Supporting in Deep-buried Tunnel

SONG Yan1,2,ZHU Zhen-de1,2,ZHANG Hui-hui3
(1.Geotechnical Engineering Research Institute of Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,
China;3.International Financial Center Project Department,Shanghai Jianke Engineering Consulting Co.,Ltd.,Shanghai200030,China)

In order to study the application of sprayed steel fiber concrete in deep-buried tunnel lining and understand its supporting effect in deep soft rock tunnel,4 kinds of indoor tests such as the compressive,splitting tensile and shear strength as well as flexural toughness are carried out for the steel fiber concrete specimens under different fiber types and different fiber contents,then,on the basis of the tests,the three dimensional simulation of FLAC3Dis made.The results show that after the lining of the tunnel,its shear failure area is reduced significantly,the supporting effect of the stee fiber concrete is better than that of common concrete,and the nearer amount in the top and bottom and two sides of the steel fiber concrete is reduced about 7%than that of common concrete.Through comparison,it is confirmed that the numerical simulation results are coincident with the measured data.The numerical simulation method here could provide some references for the popularization and application of the steel fiber concrete in deep-buried tunnel lining.

steel fiber concrete;tunnel lining;mechanical property;numerical simulation

U455.48+1

A

1672—1144(2013)02—0204—05

2012-09-11

2012-10-13

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2011CB013504);國家自然科學(xué)基金項目(41272329);深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室資助項目(SKLGDUEK0902)

宋 艷(1986—),女,江蘇宿遷人,碩士研究生,研究方向為巖石力學(xué)。