不同混凝土隧道二次襯砌模型試驗(yàn)

劉峻

【摘要】混凝土隧道不同，所襯砌的結(jié)構(gòu)承載力也不盡相同，這也就需要不同的材料作為支持。文章中針對不同混凝土隧道的二次襯砌，進(jìn)行了模型試驗(yàn)，以此希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)工作者提供參考。

【關(guān)鍵詞】混凝土隧道 二次襯砌 模型試驗(yàn)

隧道襯砌作為整個隧道承載結(jié)構(gòu)的主要部分，其承載能力和耐久性決定著整個隧道施工及運(yùn)營期間內(nèi)的安全和穩(wěn)定性?；炷磷鳛樗淼乐ёo(hù)結(jié)構(gòu)中的主要材料，其存在的脆性大、抗拉強(qiáng)度低等缺陷常是造成襯砌破壞的主要原因。為了更好地研究不同受力條件下二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律、變形情況，我國學(xué)者廣泛使用了模型試驗(yàn)方法。

1試驗(yàn)概況

1.1模型混凝土配合比及其性能。選擇合適的水泥型號，石子為5～20mm連續(xù)級配，壓碎指標(biāo)4.5%；砂子為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.56；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；礦粉為S95高爐礦渣粉；減水劑為萘系減水劑，推薦摻量為2%，減水率為23%；膨脹劑為硫鋁酸鈣型膨脹劑，推薦摻量為內(nèi)摻6%～8%；減縮劑為聚醚類減縮型外加劑，推薦摻量為1%～2%。

1.2模型斷面及配筋設(shè)計(jì)。采用幾何相似比為1/20的縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn)，模型沿截面方向長度為40cm。為了防止加載時混凝土的脆性破壞，對模型進(jìn)行了配筋，斷面配筋率為0.82%。

1.3試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)制作三向加載裝置，裝置主要由平面鋼架和上、左、右3個方向的千斤頂及下方配套的弧形支座組成。加載時在二次襯砌模型上面蓋有足夠剛度的弧形加載鋼板，加載鋼板由4段弧形鋼板通過轉(zhuǎn)軸連接在一起，在加載過程中能隨著模型的變形而變形，確保千斤頂?shù)募泻奢d轉(zhuǎn)化為均布荷載。同時，在加載點(diǎn)布置墊板，確保荷載均勻且處于平面應(yīng)力狀態(tài)。采用一個電動油泵作為壓力源，通過高精度靜態(tài)伺服液壓控制臺對3個方向的液壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。通過該裝置加載，可以實(shí)現(xiàn)按照預(yù)定的加載值對試件三向同時進(jìn)行加載，整套裝置能保證施加荷載穩(wěn)定及精確。

1.4加載方案及量測系統(tǒng)

1.4.1加載方案。為了保證商品混凝土早期強(qiáng)度穩(wěn)定發(fā)展和驗(yàn)證自制混凝土在相對較差養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的抗裂性，商品混凝土模型采取的養(yǎng)護(hù)條件為1d拆模后覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)至7d，摻抗裂外加劑的混凝土模型構(gòu)件養(yǎng)護(hù)條件為拆模1d后自然養(yǎng)護(hù)。相對濕度27%，白天平均氣溫為23℃，晝夜溫差為15～20℃。觀察養(yǎng)護(hù)過程中表面否出現(xiàn)細(xì)裂紋。養(yǎng)護(hù)至30d時對模型進(jìn)行加載試驗(yàn)，豎向荷載每級為20kN，每級荷載穩(wěn)定1.5h。加載過程中始終保證側(cè)壓力系數(shù)為0.5，保證構(gòu)件的受力均衡。在結(jié)構(gòu)喪失承載力之前，在每級荷載穩(wěn)定期間對構(gòu)件的內(nèi)表面進(jìn)行加熱，保證內(nèi)外表面溫差為25～35℃，并用噴霧器對內(nèi)表面進(jìn)行噴水，在內(nèi)表面將要完全干燥時再次進(jìn)行噴水，保證每個濕熱循環(huán)的完整性。在構(gòu)件開裂之后，連續(xù)慢速地加載直至構(gòu)件破壞，觀察開裂后的裂縫發(fā)展情況。

1.4.2量測系統(tǒng)。在拱頂及仰拱的中部結(jié)構(gòu)受力會產(chǎn)生很大的變形，由于在模型試驗(yàn)時仰拱部分可以認(rèn)為是固定端，所以只需在每個模型的拱頂布置1個位移傳感器測量試驗(yàn)產(chǎn)生的豎向位移，每個模型布置1個測點(diǎn)。在結(jié)構(gòu)上下受力主筋上布置電阻應(yīng)變片，二次襯砌模型的內(nèi)外表面布置混凝土應(yīng)變片，分別測試鋼筋及結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的應(yīng)變值，然后，根據(jù)材料力學(xué)壓彎或拉彎公式計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的截面受力情況。每個模型布置10個鋼筋測點(diǎn)和16個混凝土測點(diǎn)。由拱頂起順時針編號，為了方便測量，受力主筋的測點(diǎn)位置選取中間2根主筋，且各選擇半邊進(jìn)行布置。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1商品混凝土構(gòu)件最大豎向承載力比自制高抗裂混凝土大，而最大豎向位移相對較小。這是由于自制高抗裂混凝土28d強(qiáng)度比商品混凝土強(qiáng)度低，彈性模量相對較小，導(dǎo)致商混模型最大承載力比摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的構(gòu)件高6.3%，比摻入減縮劑的構(gòu)件高12.3%，最大豎向位移比摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的模型構(gòu)件小11.1%，比摻入減縮劑的模型構(gòu)件小30.7%[3]。分析可知，摻入減縮劑及內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑后，混凝土早期強(qiáng)度較低，本次模型試驗(yàn)是在混凝土澆筑后30d進(jìn)行的，摻入減縮劑及內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的混凝土硬化還沒有完全完成，后期強(qiáng)度還有很大的增長空間，現(xiàn)階段的彈性模量也比普通的商品混凝土低，因此，豎向變形相對較大。

2.2不同混凝土二次襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析

2.2.1彎矩分析。每個構(gòu)件的彎矩分布規(guī)律基本相同，最大彎矩出現(xiàn)在拱腳部位，為負(fù)彎矩，結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)受拉；商品混凝土及自制高抗裂混凝土模型構(gòu)件都滿足這個規(guī)律，除此之外拱頂及其周邊范圍也受負(fù)彎矩作用，其中拱肩處的彎矩最小，幾乎為零，拱腰處受正彎矩的作用，結(jié)構(gòu)的外表面受拉。在彎矩的大小方面，28d抗壓強(qiáng)度最高的商品混凝土模型構(gòu)件在破壞時承受的彎矩最大，摻內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的混凝土模型構(gòu)件次之，摻減縮劑的混凝土模型構(gòu)件最小。不同強(qiáng)度等級的二次襯砌結(jié)構(gòu)模型，混凝土強(qiáng)度等級越高，承載力越高，破壞時各部位的彎矩也相對較高。

2.2.2軸力分析。二次襯砌結(jié)構(gòu)在荷載作用下軸力都是負(fù)的，表明結(jié)構(gòu)受壓，軸力的大小為拱腳部分最大，從拱腳到拱頂軸力是逐漸減小的，但相差不大，可以近似地認(rèn)為是均勻分布。普通混凝土澆筑的構(gòu)件在破壞時軸力也最大，摻入內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑的次之，摻入減縮劑的混凝土最小。不同強(qiáng)度等級的二次襯砌結(jié)構(gòu)模型，強(qiáng)度等級越高，破壞時所受的軸力也越大。

結(jié)束語：①通過研究發(fā)現(xiàn)，在加入抗裂外加劑后，混凝土的強(qiáng)度會有所下降，致使構(gòu)件原本的極限承載力低于商品混凝土構(gòu)件；②二次襯砌模型結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)的受力規(guī)律如下：結(jié)構(gòu)最大彎矩主要存在于當(dāng)前的拱腳部位，且拱腰彎矩比較小，結(jié)構(gòu)拱頂變形至最大，基于荷載的作用下使得彎矩為負(fù)，由此可以證明結(jié)構(gòu)的受壓較為均勻；③當(dāng)混凝土襯砌開裂后，支護(hù)特性曲線會呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，但是素混凝土卻急劇下降。所以混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)可以利用變形和圍巖特征曲線相交的方式達(dá)到共同穩(wěn)定的狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔光耀，王道遠(yuǎn)，倪嵩陟，袁金秀，馬軍輝，朱長安.軟弱圍巖隧道鋼纖維混凝土襯砌承載特性模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報，，：1-7.

[2]王大剛.隧道二次襯砌混凝土配合比優(yōu)化試驗(yàn)及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2016，（06）：117-119.

[3]雷堅(jiān)強(qiáng).公路隧道二次襯砌混凝土厚度及密實(shí)性試驗(yàn)研究[J].公路，2016，（02）：201-208.