裝置材料對(duì)防水試驗(yàn)中密封墊性能的影響

董林偉， 江玉生， 楊志勇， 江 華， 高 勇

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

裝置材料對(duì)防水試驗(yàn)中密封墊性能的影響

董林偉， 江玉生， 楊志勇， 江 華， 高 勇

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

為研究管片密封墊防水試驗(yàn)中不同裝置材料下密封墊性能的差異，采用彈性力學(xué)理論對(duì)鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力和裝配力進(jìn)行研究。以管片接縫密封中常用的三元乙丙密封墊為研究對(duì)象，對(duì)鋼制裝置和混凝土裝置下的密封墊進(jìn)行防水試驗(yàn)，研究2種不同裝置下密封墊的裝配力和耐水壓力與張開量的關(guān)系。研究結(jié)果表明： 1)鋼制裝置下密封墊的豎向應(yīng)力比混凝土裝置下密封墊的豎向應(yīng)力大，導(dǎo)致其耐水壓力高于混凝土裝置； 2)2種裝置得出的裝配力-張開量和耐水壓力-張開量曲線變化規(guī)律相似； 3)采用鋼制裝置代替混凝土裝置進(jìn)行混凝土管片密封墊的防水試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將張開量減小一定的數(shù)值； 4)在密封墊的防水試驗(yàn)中應(yīng)盡量采用混凝土裝置進(jìn)行測(cè)試； 5)采用鋼制裝置代替混凝土裝置進(jìn)行混凝土管片密封墊耐水壓力測(cè)試時(shí)，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平移轉(zhuǎn)換。

盾構(gòu)隧道； 防水試驗(yàn)； 密封墊性能； 裝置材料； 耐水壓力； 裝配力； 張開量

0 引言

隧道防水貫穿地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的始終，也是提高隧道耐久性的關(guān)鍵。目前，我國(guó)多采用三元乙丙多孔橡膠密封墊進(jìn)行管片接縫的防水[1]，因此，對(duì)三元乙丙多孔橡膠密封墊的防水性能進(jìn)行研究具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管片接縫處密封墊的防水問題進(jìn)行了大量的研究。GONG Chenjie等[2]針對(duì)南京緯三路越江盾構(gòu)隧道，采用新型混凝土試驗(yàn)裝置，開展了管片接縫防水一字縫和T字縫的試驗(yàn)研究，分析了影響密封墊防水的因素；歐陽文彪[3]采用顯式有限元分析法對(duì)密封墊的壓縮過程進(jìn)行了三維模擬，并對(duì)鋼制裝置下密封墊的裝配力進(jìn)行了驗(yàn)證；鄧朝輝[4]針對(duì)獅子洋隧道管片密封墊的密封性能進(jìn)行了數(shù)值模擬和鋼制裝置下的防水試驗(yàn)，提出了相應(yīng)的防水設(shè)計(jì)和施工控制措施；拓勇飛等[5]針對(duì)超高水壓大直徑盾構(gòu)隧道，提出了盾構(gòu)管片接縫防水設(shè)計(jì)的流程和方法，通過耐水壓力和裝配力試驗(yàn)優(yōu)化了密封墊的設(shè)計(jì)方案；王湛[6]對(duì)密封墊張開和錯(cuò)位的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了張開和錯(cuò)位對(duì)滲漏位置的影響規(guī)律；畢琦等[7]針對(duì)不同硬度的密封墊進(jìn)行了鋼制裝置下的裝配力試驗(yàn)，得到了密封墊的硬度設(shè)計(jì)指標(biāo)，并提出了相應(yīng)的施工方案；高楠[8]通過采用不同的鋼制試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了蘇埃通道盾構(gòu)隧道接縫密封墊的裝配力試驗(yàn)和防水試驗(yàn)，對(duì)隧道接縫的防水形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)；李鐵成[9]對(duì)新華新街臺(tái)格廟礦區(qū)斜井鋼制裝置下的管片密封墊進(jìn)行了T字縫防水試驗(yàn)和數(shù)值分析；F. I. Shalabi等[10]對(duì)隧道管片承受靜力和動(dòng)力荷載時(shí)混凝土裝置中的密封墊進(jìn)行了一系列試驗(yàn)和研究，給出了密封墊接縫防水規(guī)律。

以上研究均是針對(duì)密封墊的防水優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行的，對(duì)密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置下耐水壓力和裝配力的研究并不多。為對(duì)比密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置下耐水壓力和裝配力的差異性，筆者開展了密封墊在2種不同裝置下裝配力和耐水壓力的對(duì)比試驗(yàn)，并通過MATLAB軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及擬合分析，得出2種不同裝置下密封墊裝配力和耐水壓力的變化規(guī)律以及耐水壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

1 密封墊防水性能分析

密封墊的防水性能與接觸面壓力密切相關(guān)。由密封墊的工作原理可知，密封時(shí)的水壓力pw與初始接觸面壓力有關(guān)[11-12]，可近似表示為

pw=kp0。

(1)

式中：pw為滲漏水時(shí)密封墊的耐水壓力，MPa；p0為密封墊的接觸面壓應(yīng)力，MPa；k為與密封墊性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，對(duì)于非膨脹橡膠，一般取1.2[13]。

密封墊彈性體的約束形式示意圖如圖1所示。

圖1 密封墊約束形式示意

密封墊被固定于溝槽中，受力狀態(tài)為平面應(yīng)變狀態(tài)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

(2)

式中：εx為密封墊的側(cè)向應(yīng)變；εy為密封墊的豎向應(yīng)變；ν為泊松比；σy為密封墊受到的豎向壓應(yīng)力,MPa；E為密封墊的彈性模量,MPa。

由式(2)可得

(3)

分析式(3)可知，在密封墊耐水壓力試驗(yàn)中，若將裝置材料由混凝土裝置變?yōu)殇撝蒲b置，且假設(shè)密封墊的豎向應(yīng)變?chǔ)舮不變，由于鋼制裝置變形較小，密封墊受到的側(cè)面約束增強(qiáng)，相當(dāng)于對(duì)密封墊的側(cè)向進(jìn)行擠壓，則密封墊的側(cè)向應(yīng)變?chǔ)舩增大，豎向壓應(yīng)力增大。再由式(1)可知，密封墊的耐水壓力增大。

2 防水試驗(yàn)

2.1 密封墊幾何參數(shù)

選取常用的盾構(gòu)管片密封墊進(jìn)行防水試驗(yàn)。密封墊以三元乙丙橡膠為主要成分，采用外輪廓尺寸為47 mm×16.5 mm的多孔橡膠矩形密封圈的構(gòu)造形式，其頂面寬度為36 mm，底部寬度為42 mm，高度為16.5 mm，截面內(nèi)部有10個(gè)圓孔。三元乙丙密封墊橫截面圖如圖2所示。

圖2 三元乙丙密封墊橫截面圖(單位： mm)

2.2 試驗(yàn)原理和裝置

為研究不同裝置材料對(duì)密封墊耐水壓力的影響，開展了密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置中的防水試驗(yàn)。

在試驗(yàn)裝置溝槽中采用氯丁-酚醛膠水粘貼2個(gè)物理參數(shù)相同的三元乙丙橡膠密封墊，如圖3所示。

采用壓力機(jī)分別對(duì)鋼制裝置密封墊和混凝土裝置密封墊進(jìn)行加載，通過外接水泵對(duì)密封墊的內(nèi)腔施加水壓。采用水壓力表測(cè)試密封墊承受的水壓力，采用百分表測(cè)試裝置的張開量，采用壓力傳感器測(cè)試裝置所受的壓力。

(a)鋼制裝置(b)混凝土裝置

圖3 三元乙丙橡膠密封墊

Fig. 3 EPDM rubber gasket

2.3 試驗(yàn)方案

將試驗(yàn)裝置及剛性墊塊放置在試驗(yàn)機(jī)加載板間，并安裝百分表及水壓加壓系統(tǒng)。在試驗(yàn)機(jī)加壓至目標(biāo)張開量前，記錄各級(jí)壓縮力和對(duì)應(yīng)的張開量，作為裝配力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)試驗(yàn)機(jī)加壓至目標(biāo)張開量時(shí)，以每次0.01 MPa的增量施加水壓，直至水壓突破密封墊，并取上一級(jí)水壓作為耐水壓力。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 裝配力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)學(xué)特征，分別采用4種常見的

通過對(duì)比4個(gè)函數(shù)的擬合度可知： 倒冪函數(shù)擬合的F值和可決系數(shù)R最大，剩余標(biāo)準(zhǔn)誤差S最小，擬合性最佳。由F檢驗(yàn)可知，倒冪函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的顯著性檢驗(yàn)為高度顯著。

表1 鋼制裝置下密封墊的裝配力試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線參數(shù)及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

表2 混凝土裝置下密封墊的裝配力試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線參數(shù)及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

采用倒冪函數(shù)分別對(duì)鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊裝配力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖4所示。

(a) 鋼制裝置

(b) 混凝土裝置

圖4 鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊裝配力隨張開量變化的擬合曲線

Fig. 4 Fitting curve of relationship between assembling force of sealing gasket and opening amount under steel apparatus and concrete apparatus

3.2 耐水壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)得到的鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

由圖5可以得出，不同張開量的密封墊在鋼制裝置與混凝土裝置下的耐水壓力變化規(guī)律相似。

圖5 鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力

Fig. 5 Waterproof pressures of sealing gasket under steel apparatus and concrete apparatus

為建立2種裝置材料下密封墊耐水壓力與張開量的關(guān)系，分別選用倒冪函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和倒指數(shù)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并考慮2種裝置材料下張開量的差值，即對(duì)鋼制裝置下的張開量數(shù)據(jù)進(jìn)行平移后，再聯(lián)合混凝土裝置下的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。采用MATLAB軟件編制相應(yīng)的程序，然后計(jì)算出4種函數(shù)的擬合曲線參數(shù)及擬合度。MATLAB程序流程如圖6所示。

圖6 MATLAB程序流程圖

由MATLAB軟件計(jì)算得到的2種裝置下密封墊的耐水壓力擬合曲線參數(shù)及擬合度見表3。

表3 2種裝置下密封墊的耐水壓力擬合曲線參數(shù)及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

通過對(duì)比4個(gè)函數(shù)的擬合度可知： 冪函數(shù)擬合的F值和可決系數(shù)R最大，剩余標(biāo)準(zhǔn)誤差S最小，擬合性最佳。根據(jù)F檢驗(yàn)可知，4個(gè)函數(shù)的顯著性檢驗(yàn)均為高度顯著。

通過MATLAB軟件采用冪函數(shù)繪制的混凝土裝置下耐水壓力數(shù)據(jù)與鋼制裝置下經(jīng)平移后的耐水壓力數(shù)據(jù)擬合曲線如圖7所示。

圖7 混凝土裝置下耐水壓力數(shù)據(jù)與鋼制裝置下平移后的耐水壓力數(shù)據(jù)擬合曲線

Fig. 7 Fitting curve of waterproof pressure under concrete apparatus and waterproof pressure under steel apparatus after transformation

對(duì)于相同材質(zhì)的密封墊，采用鋼制試驗(yàn)裝置與混凝土試驗(yàn)裝置得到的耐水壓力隨張開量的變化趨勢(shì)高度相似，但仍有一定的差距。根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知，4種函數(shù)擬合得到的位移常數(shù)c均約為2 mm，且擬合性均較好。對(duì)于三元乙丙密封墊，若采用鋼制裝置代替混凝土裝置進(jìn)行耐水壓力試驗(yàn)，耐水壓力所對(duì)應(yīng)的張開量需減小2 mm，試驗(yàn)結(jié)果方可應(yīng)用于工程中。

4 結(jié)論與討論

1)根據(jù)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及理論分析，在密封墊的耐水壓力試驗(yàn)中，采用鋼制裝置得到的耐水壓力高于混凝土裝置。

2)根據(jù)實(shí)際工程中密封墊受到的約束狀態(tài)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用混凝土裝置進(jìn)行密封墊的耐水壓力試驗(yàn)。當(dāng)采用鋼制裝置代替混凝土裝置進(jìn)行混凝土管片密封墊的耐水壓力試驗(yàn)時(shí)，所得的耐水壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的張開量需要減小一定的數(shù)值方可應(yīng)用于實(shí)際工程中。對(duì)于本文研究的密封墊，張開量應(yīng)減少2 mm。

3)三元乙丙密封墊在2種試驗(yàn)裝置下的裝配力、耐水壓力試驗(yàn)數(shù)據(jù)與倒冪函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和倒指數(shù)函數(shù)的擬合性均較好，因此，可采用倒冪函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和倒指數(shù)函數(shù)4種函數(shù)對(duì)密封墊的裝配力和耐水壓力進(jìn)行預(yù)測(cè)。

本文只針對(duì)一種特定的密封墊進(jìn)行了防水試驗(yàn)研究，下一步尚需對(duì)其他形式的密封墊進(jìn)行研究。

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Study of Influence of Apparatus with Different Materials on Performance of Sealing Gasket during Waterproof Test

DONG Linwei, JIANG Yusheng, YANG Zhiyong, JIANG Hua, GAO Yong

(SchoolofMechanics&ArchitectureEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

The waterproof pressure and assembling force of the sealing gasket under steel apparatus and the concrete apparatus are studied by the theory of elasticity, so as to study the difference of the sealing gasket performance under apparatus with different materials during waterproof test. The waterproof test is carried out on the sealing gasket under steel apparatus and concrete apparatus by taking commonly used ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) gasket for example. And then the relationship between the assembling force and the opening amount and that between the waterproof pressure and the opening amount under steel apparatus and concrete apparatus are studied. The testing results indicate that: 1) The vertical stress of the sealing gasket under steel apparatus is larger than that under concrete apparatus which lead to the higher waterproof pressure of the sealing gasket under steel apparatus. 2) The curve of assembling force-opening amount and that of waterproof pressure-opening amount obtained by the two apparatuses are quite similar. 3) The opening amount should be reduced by a certain value when using the steel apparatus instead of the concrete apparatus. 4) The concrete apparatus should be used in the waterproof pressure test as many as possible. 5) The test data should be translated when using the steel apparatus instead of concrete apparatus.

shield tunnel; waterproof test; sealing gasket performance; material of apparatus; pressure of waterproof; assembling force; opening amount

2017-01-16;

2017-04-19

國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題(2013BAB10B02-4)； 聯(lián)合資助基金(U1261212)

董林偉(1986—)，男，山東泰安人，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程專業(yè)在讀博士，研究方向?yàn)槌鞘械叵鹿こ獭-mail： dlw860210@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.013

U 45

A

1672-741X(2017)08-0997-06