地震動力作用下纖維混凝土隧道襯砌的試驗研究

蒙國往，周佳媚，李志業(yè)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都610031)

我國是多地震國家之一，隨著我國公路、鐵路、地鐵等隧道的日益增多，將有更多的隧道穿越高烈度地震區(qū)，新建隧道和修復(fù)既有隧道都將面臨新的挑戰(zhàn).在5·12汶川地震中，新建的都汶公路共有11座隧道不同程度受損，較典型的是震中區(qū)附近的燒火坪、龍溪、龍洞子、紫坪鋪等隧道［1］.在隧道使用中，二次襯砌結(jié)構(gòu)耐性問題也逐漸突出［2］，而我國有關(guān)地下結(jié)構(gòu)抗震方面的規(guī)范還未提出切實有效的抗減震材料及措施，因而研究隧道及地下工程抗震問題顯得十分迫切.

纖維混凝土是近幾年發(fā)展起來的一種新型復(fù)合建筑材料，具有增強(qiáng)、增韌、阻裂、耐沖擊、耐疲勞等優(yōu)點［3］，已廣泛用于國內(nèi)外土木工程建設(shè)中.采用纖維混凝土制成隧道襯砌，并研究其在地震動力作用下的反應(yīng)與破壞形態(tài)對隧道結(jié)構(gòu)抗減震具有重大意義.

1 模型試驗

1.1 模型設(shè)計與制作

某隧道的開挖寬度為12.64 m，開挖高度為10.14 m.考慮試驗振動臺上模型箱尺寸(3.7 m×1.5 m×1.8 m)及試驗操作便利性，根據(jù)相似理論，由幾何相似比(CL=30)確定出試驗?zāi)Ｐ鸵r砌斷面尺寸，如圖1所示.試驗?zāi)Ｐ鸵r砌厚1.40 cm，縱向長80 cm.

圖1 隧道模型襯砌斷面尺寸(單位:cm)

制備混凝土的膠凝材料，選用哈爾濱復(fù)合硅酸鹽水泥P·O 32.5;水為自來水;細(xì)集料為標(biāo)準(zhǔn)中沙，細(xì)度模數(shù)2.3;纖維為復(fù)合纖維PF－2000.

根據(jù)實際所需襯砌強(qiáng)度及實驗室拌合情況，選定兩組襯砌配合比見表1.同時，采用相同條件澆筑兩組襯砌及立方體試塊，在室溫條件下養(yǎng)護(hù)18 d后進(jìn)行試驗.

表1 配合比設(shè)計

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)備

采用中國地震局工程力學(xué)研究所的5 m×5 m三向地震模擬振動臺，最大荷重30 t，最大傾覆力矩350 kN·m;滿荷時最大加速度在 x和 y方向為1.0 g，在z方向為0.7g;最大速度在單向振動時為60 cm/s，在三向振動時為30 cm/s;最大位移在x和y方向為±8 cm，在z方向為±5 cm;振動臺工作頻率為 0.5 ～40.0 Hz.

為消除模型箱邊界對試驗結(jié)果的影響，在水平振動方向兩端箱壁上固定10 cm厚的聚苯乙烯薄膜板，以減少地震波剛性反射的影響;在箱底均勻固定10 cm厚的碎石，增大接觸面上的摩擦阻力;在箱內(nèi)沙中布置了151個配重塊，每個5 kg，以增加地震慣性力.

1.2.2 振動臺試驗加載方法

振動臺試驗輸入波采用5·12汶川地震中臥龍臺記錄的實際地震波，y向加速度保持不變，z向加速度逐級增加，詳見表2.每次振動完成后對模型內(nèi)部拍照.

表2 振動臺試驗地震波輸入情況

1.3 試驗結(jié)果

1.3.1 試驗破壞現(xiàn)象

試驗結(jié)束后，均勻緩慢地卸除模型箱內(nèi)覆沙層，保證襯砌受力均勻并大小相同.襯砌上部沙子清除后，首先看到襯砌頂部均有裂縫，裂縫偏離隧道中線3～5 cm，素混凝土襯砌裂縫已完全貫通，兩側(cè)基體完全斷開分離;纖維混凝土襯砌裂縫里側(cè)斷開，但外側(cè)仍有部分相連，呈向下凹陷擠壓狀，并非完全斷開.完全挖開之后，發(fā)現(xiàn)兩個襯砌在拱頂、拱腰、拱腳及仰拱均有沿縱向軸線的裂縫;素混凝土裂縫完全貫通，一碰即斷開;纖維混凝土襯砌裂縫不完全斷開，基本是一側(cè)張開，另一側(cè)擠壓相連，裂縫中均可看到纖維，裂縫部位雖破碎，但剝離碎片仍通過纖維連在裂縫上，裂縫多呈鋸齒形.破壞情況如圖2所示.檢查襯砌外觀，兩個襯砌破壞情況見表3.

圖2 襯砌裂縫對比

1.3.2 應(yīng)變狀態(tài)

該次試驗主要測量襯砌里外側(cè)同部位的拱頂、拱肩、邊墻、拱腳和仰拱的應(yīng)變，每個襯砌設(shè)置2個測量斷面，每個斷面布置8個應(yīng)變測點，左右對稱.測量斷面測點布置如圖3所示.振動試驗過程中，應(yīng)變片隨加載順序破壞情況見表4.

表3 對比試驗襯砌破壞情況

表4 應(yīng)變片隨加載順序破壞情況

在第4級加載作用下，在t=16.065 s時臺面豎向加速度達(dá)最大值，臺面振動頻率為4.184 Hz，素混凝土襯砌振動響應(yīng)頻率為3.658 Hz，纖維混凝土襯砌振動響應(yīng)頻率為3.681 Hz，纖維混凝土襯砌振動響應(yīng)比素混凝土襯砌振動響應(yīng)滯后0.04 s.t=14～18 s期間，襯砌應(yīng)變響應(yīng)如圖4所示.

圖3 應(yīng)變測點示意圖

圖4 t=14～18 s期間襯砌應(yīng)變響應(yīng)

素混凝土襯砌的應(yīng)變對地震動力反應(yīng)比較強(qiáng)烈，應(yīng)變幅值較大，時間－應(yīng)變曲線比較平滑;纖維混凝土襯砌應(yīng)變反應(yīng)譜不夠穩(wěn)定平滑，波形變化的局部呈鋸齒形.第4級加載作用下襯砌典型部位時間－應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示.

圖5 襯砌典型部位時間－應(yīng)變關(guān)系曲線

1.3.3 混凝土強(qiáng)度指標(biāo)

依照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)［4］對立方體試塊進(jìn)行強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果見表5.

表5 混凝土強(qiáng)度指標(biāo)(18 d)MPa

2 試驗結(jié)果初步分析

1)兩個襯砌拱頂裂縫均偏離隧道中線3～5 cm，說明在地震荷載和覆土壓力共同作用下，合力位置會隨機(jī)移動，最不利荷載出現(xiàn)時導(dǎo)致襯砌發(fā)生破壞，位置往往偏離隧道中線.素混凝土襯砌裂縫兩側(cè)基體都是完全斷開，右拱腰和右拱腳的裂縫之間存在連通裂縫，裂縫基本呈直線型，斷口干凈整齊，裂縫擠壓處有明顯掉塊痕跡，說明素混凝土抗拉強(qiáng)度低、脆性大.纖維混凝土襯砌裂縫基本都是一側(cè)張開，另一側(cè)擠壓相連，裂縫內(nèi)均可看到分散的纖維以及部分小結(jié)團(tuán)纖維，裂縫呈鋸齒形，裂縫口處小破碎片通過纖維仍黏結(jié)在襯砌上.這說明混凝土基體開裂后，搭接裂縫的纖維能夠通過黏結(jié)應(yīng)力繼續(xù)傳遞應(yīng)力，阻礙裂縫進(jìn)一步開展;反復(fù)振動荷載作用，導(dǎo)致裂縫慢慢變寬繼而出現(xiàn)鋸齒形裂縫，并因擠壓而產(chǎn)生小碎塊，小碎塊通過已失效的纖維黏結(jié)在裂縫口.

2)隨著加載等級的提高，素混凝土襯砌上應(yīng)變片破壞增多，纖維混凝土襯砌上的應(yīng)變片在第4級加載中沒有新的破壞.說明纖維在混凝土基體開裂后對控制裂縫繼續(xù)開展具有控制作用，并能調(diào)整應(yīng)力，減少新生破壞.纖維混凝土襯砌測點應(yīng)變值普遍較小，說明纖維可能對混凝土基體微小變形具有一定約束作用，或是能夠積極促進(jìn)應(yīng)力調(diào)整重分布.纖維混凝土襯砌的時間－應(yīng)變關(guān)系曲線局部均存在鋸齒形小波動，其振動響應(yīng)比素混凝土襯砌稍微滯后，說明在振動荷載作用下，可能在襯砌振幅達(dá)到最大瞬間，纖維通過黏結(jié)應(yīng)力導(dǎo)致混凝土基體微小顆粒加速度變小或抵消，使混凝土吸收更多的能量，從而幅值降低，反應(yīng)滯后，達(dá)到減輕震動力對結(jié)構(gòu)破壞的效果.

3)由表5可知，纖維混凝土立方體軸心抗壓強(qiáng)度在18 d齡期時略低于素混凝土.

3 結(jié)語

1)普通混凝土抗拉強(qiáng)度低、脆性大，裂開截面上的基體不能承受任何拉力，抗震性能差.纖維混凝土具有明顯的阻裂和增強(qiáng)作用，采用纖維混凝土可以提高結(jié)構(gòu)的開裂荷載和變形能力，限制裂縫的發(fā)展，減小裂縫寬度，同時可以減輕結(jié)構(gòu)破壞程度.

2)地震荷載作用下，纖維混凝土襯砌中的纖維能夠通過黏結(jié)應(yīng)力控制裂縫繼續(xù)開展，促進(jìn)應(yīng)力重分布，減輕地震力對結(jié)構(gòu)的破壞.

3)地震荷載作用下，搭接裂縫的纖維導(dǎo)致裂縫反復(fù)擠壓而出現(xiàn)鋸齒形，擠壓掉的小碎塊通過纖維黏結(jié)于裂縫口.

［1］李天斌.汶川特大地震中山嶺隧道變形破壞特征及影響因素分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2008，16(6):742－750.

［2］曹擎宇，孫偉，趙勇，等.纖維素纖維混凝土性能及在二襯中的應(yīng)用［J］.鐵道學(xué)報，2012，34(7):103 －107.

［3］大連理工大學(xué).CECS 13:2009纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

［4］中國建筑科學(xué)研究院.GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.