某高速公路隧道加固斷面應(yīng)變監(jiān)測值簡析

紀(jì)田亮

【摘 要】通過分析加固段二襯應(yīng)變監(jiān)測值的組成，劃分為溫度和時(shí)效產(chǎn)生的應(yīng)變，將時(shí)效應(yīng)變轉(zhuǎn)換為應(yīng)力，分析該部分應(yīng)力產(chǎn)生原因和對結(jié)構(gòu)的影響，從而為判斷結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性提供依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】二襯表面應(yīng)變；溫度；時(shí)效應(yīng)變

前言：

針對某公路隧道區(qū)段存在二襯厚度不足、二襯多處開裂、襯砌存在嚴(yán)重脫空等質(zhì)量問題，在應(yīng)急加固處理以后，通過加固段表面安裝光纖應(yīng)變傳感器，對襯砌結(jié)構(gòu)混凝土表面應(yīng)變等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測。如何比較合理的劃分出監(jiān)測值中由外部環(huán)境因素引起的應(yīng)變和結(jié)構(gòu)自身受力狀態(tài)發(fā)生變化產(chǎn)生的應(yīng)變，從而為判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供可靠的依據(jù)，顯得尤為關(guān)鍵。

1監(jiān)測斷面概況

1.1地質(zhì)概況

該隧道右洞樁號YK130+845～YK131+690其中，YK130+944～K131+623圍巖類別為Ⅳ，微風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r，RQD=60～85%，波速Vp=3.2-4.2km/s，完整性系數(shù)I=0.45-0.65，洞頂山體覆蓋厚度100-110m，巖石裂隙較發(fā)育—不發(fā)育，圍巖質(zhì)量較好，地下水是基巖裂隙水，水文地質(zhì)簡單。

1.2二襯質(zhì)量問題

YK131+130～K131+146圍巖類別為Ⅳ，設(shè)計(jì)二襯厚度30cm，實(shí)測最小厚度左拱腰9cm，拱頂20cm，存在脫空。

1.3應(yīng)急加固處理使用材料和要求

斷面YK131+130～K131+146應(yīng)急加固處理時(shí)間為2010年6月份。

植筋噴砼：襯砌全斷面增設(shè)鋼纖維噴混凝土層8～20cm，加設(shè)Φ6鋼筋網(wǎng)，并使得二襯與噴層總厚度不小于30cm。

噴射鋼纖維砼施工中嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量及配合比，鋼纖維摻入量1%，粗骨料最大粒徑不大于12mm，水灰比控制在0.4～0.45，各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)在現(xiàn)場試驗(yàn)后確定。鋼纖維采用剪切型，長度35mm，等效直徑0.7mm，長徑比50，抗拉強(qiáng)度不低于850MPa，鋼纖維含量實(shí)測值應(yīng)不超過最佳摻量的2%。

其余各項(xiàng)指標(biāo)滿足《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（CECS38：92）的規(guī)定。噴砼應(yīng)采用濕噴工藝，施工時(shí)要求噴頭與受噴面距離1.0～1.5m，角度應(yīng)垂直于襯砌面，基本控制在750～900。

噴射時(shí)對噴頭做順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，噴射順序應(yīng)從下向上，先邊墻后拱腳和拱腰，最后噴至拱頂。噴砼厚度大于8cm的應(yīng)分層多次進(jìn)行。

為保證各次噴砼間的結(jié)合，頭次噴砼接縫處可做成斜面，再次施工時(shí)在斜面上繼續(xù)施噴，間隔時(shí)間不大于30分鐘。施工中控制風(fēng)壓保持穩(wěn)定，不得突出，嚴(yán)禁出現(xiàn)空聲區(qū)域。

1.4監(jiān)測設(shè)備

使用光纖光柵表面式應(yīng)變傳感器，安裝在加固層的表面。通過自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行自動采集，同時(shí)選用遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，還可將監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)方的監(jiān)控系統(tǒng)。

2加固斷面應(yīng)變監(jiān)測值分析

2.1應(yīng)變監(jiān)測斷面YK131+130時(shí)程曲線

2010年7月到2014年7月監(jiān)測期內(nèi)監(jiān)測值時(shí)程曲線如下圖2-1、2-2所示。從下圖分析，各測點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測值伴隨環(huán)境氣溫變化發(fā)生相應(yīng)的變化，當(dāng)氣溫降低，應(yīng)變減小，氣溫升高，應(yīng)變增大，應(yīng)變的變化跟短時(shí)間氣溫的波動及季節(jié)性氣溫變化均表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。

圖2-1 YK131+130各測點(diǎn)應(yīng)變增量累計(jì)值曲線

圖2-2 YK131+130各測點(diǎn)應(yīng)變變化率曲線

2.2統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1統(tǒng)計(jì)模型

要求應(yīng)變監(jiān)測值與環(huán)境量之間建立最確切數(shù)學(xué)關(guān)系式，然后根據(jù)分離出各分量大小，定量說明影響程度。

式中符號意義：

——應(yīng)變監(jiān)測值；

——溫度變化引起的應(yīng)變分量；

——非溫度變化引起的應(yīng)變分量，即時(shí)效應(yīng)變分量。

（1） 溫度應(yīng)變分量

引起加固層應(yīng)變監(jiān)測值變化的溫度因素，主要考慮氣溫的季節(jié)性變化引起，故計(jì)算溫度應(yīng)變分量時(shí)，可采用多段平均氣溫的線性組合。

式中，一般取當(dāng)天，前5天， 15天，30天，60天，90天， 120天等的平均氣溫。

（2） 時(shí)效應(yīng)變分量

加固層混凝土和巖體的徐變、裂縫的變化及基巖節(jié)理裂縫的壓縮等因素，都會導(dǎo)致加固層的非彈性變形。這種隨時(shí)間形成的不可逆變形稱時(shí)效應(yīng)變。對于正常運(yùn)營期隧道來說，時(shí)效應(yīng)變的一般規(guī)律是：初期變化快，后期變化慢，最終趨于穩(wěn)定。據(jù)此規(guī)律，并結(jié)合該隧道斷面的實(shí)際情況，選取相應(yīng)的時(shí)效因子分別為：t，ln（1+t）。因此，時(shí)效應(yīng)變的數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫成：

式中符號t為時(shí)間基準(zhǔn)日至觀測日的累計(jì)天數(shù)。

（3） 統(tǒng)計(jì)模型分析（統(tǒng)計(jì)分析成果表）

2.3應(yīng)變應(yīng)力公式簡單轉(zhuǎn)換

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70—2004，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010，C25混凝土彈性模量Ec=2.8×104 N/mm2，C25混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=11.9 N/mm2，C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft1.27 N/mm2，E=σ/ε，得到下表。（表1）

從各測點(diǎn)時(shí)效分量圖分析，時(shí)效分量伴隨時(shí)間的積累，對加固層影響程度逐漸減弱。

由于光纖應(yīng)變傳感器和結(jié)構(gòu)物本身都受氣溫變化的影響，在求實(shí)際監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變變化時(shí)，應(yīng)該扣除氣溫應(yīng)變。左拱肩（受壓）和拱頂（受壓）時(shí)效應(yīng)變在設(shè)計(jì)控制值以內(nèi)；對于右拱肩時(shí)效應(yīng)變存在負(fù)值（受壓）和正值（受拉）的解釋：由于該斷面本身二襯厚度不足，在10年6月份進(jìn)行應(yīng)急加固以后，考慮右拱肩監(jiān)測區(qū)域本身結(jié)構(gòu)一直處于受壓狀態(tài)，在監(jiān)測期，壓應(yīng)力逐漸釋放，故相對于10年7月份取初值以后，到后面三年夏季顯示為正值，說明氣溫影響和該區(qū)域加固層安裝儀器時(shí)本身受力狀態(tài)是所測得監(jiān)測值的主因。另外從現(xiàn)場巡視檢查來看，該區(qū)域加固層右拱肩未發(fā)現(xiàn)異常情況。

結(jié)語

對該加固層斷面監(jiān)測四年的應(yīng)變監(jiān)測值，以統(tǒng)計(jì)學(xué)原理為基礎(chǔ)進(jìn)行回歸分析，得到溫度應(yīng)變分量占應(yīng)變監(jiān)測值的主要部分，時(shí)效分量伴隨時(shí)間的積累，對加固層影響程度逐漸減弱。

由于監(jiān)測點(diǎn)在現(xiàn)場特定情況下安裝取初值，在理論計(jì)算分析加固層監(jiān)測值時(shí)，必須考慮監(jiān)測點(diǎn)取初值時(shí)實(shí)際受力狀態(tài)和結(jié)合現(xiàn)場外觀檢查結(jié)構(gòu)物是否存在異常情況等，綜合分析理論計(jì)算值是否真實(shí)反應(yīng)加固層實(shí)際受力狀態(tài)。

加固段混凝土襯砌應(yīng)變監(jiān)測值的變化主要因環(huán)境氣溫變化引起，當(dāng)氣溫降低，應(yīng)變減小，氣溫升高，應(yīng)變增大，應(yīng)變的變化跟短時(shí)間氣溫的波動及季節(jié)性氣溫變化均表現(xiàn)出較好的相關(guān)性。監(jiān)測段因襯砌厚度不足而進(jìn)行的加固效果良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

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