盾構(gòu)管片接縫傳力墊層的接觸特性試驗(yàn)研究

張振宇， 李豪杰， 李朝君， 賈長(zhǎng)恒， 馮吉利

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2. 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；3. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

盾構(gòu)管片接縫傳力墊層的接觸特性試驗(yàn)研究

張振宇1, 2， 李豪杰1, 2， 李朝君3， 賈長(zhǎng)恒1, 2， 馮吉利1, 2

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2. 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；3. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

為了研究盾構(gòu)管片接縫的接觸特性，采用帶有橡膠墊層的混凝土試件來(lái)模擬盾構(gòu)管片和橡膠墊層，通過(guò)加卸載條件下的直剪試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，探究盾構(gòu)管片接縫和接頭處的切向和法向接觸特性。由試驗(yàn)結(jié)果可知： 1)接觸面剪切應(yīng)力隨剪切位移的變化過(guò)程可以分為彈性變形、彈塑性變形和應(yīng)變軟化3個(gè)階段，剪切峰值應(yīng)力的殘余百分比為55%～65%; 2)橡膠墊層在混凝土之間起到了良好的緩沖作用，對(duì)管片的失穩(wěn)破壞過(guò)程有一定的延緩作用; 3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50、傳力墊層厚度為2 mm時(shí)接觸面的切向和法向接觸剛度，為盾構(gòu)管片接縫傳力墊層接觸摩擦特性的分析計(jì)算提供參考。

盾構(gòu)管片； 接縫和接頭； 接觸摩擦； 橡膠墊層； 接觸剛度

0 引言

接觸摩擦在實(shí)際工程中普遍存在，屬于非線性問(wèn)題，也是相對(duì)困難的重要研究課題[1]。正確分析接觸面受力變形機(jī)制、剪切破壞發(fā)生位置、接觸面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和載荷傳遞過(guò)程等，對(duì)于科學(xué)描述含接觸面工程問(wèn)題的力學(xué)研究是十分重要的。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同的接觸問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究： Lam等[2]通過(guò)混凝土與巖石接觸條件下的大型直剪試驗(yàn)，分析了規(guī)則三角形接觸面的剪切特性； Maitra等[3]通過(guò)試驗(yàn)研究了典型混凝土路面混凝土板與路基在不同接觸條件(光滑接觸和粗糙接觸)下的接觸摩擦作用； Jiang等[4]研究了新舊混凝土加固溝槽接觸面的剪切摩擦特性； 李永輝等[5]研究了超長(zhǎng)灌注樁樁側(cè)與土體接觸截面的剪切力學(xué)行為； 孫厚超等[6]通過(guò)試驗(yàn)研究了凍土與結(jié)構(gòu)接觸界面層的力學(xué)變形行為； 趙春風(fēng)等[7]通過(guò)大型結(jié)構(gòu)剪切試驗(yàn)研究了考慮法向應(yīng)力歷史的黏土與混凝土接觸界面的剪切力學(xué)特性。此外，工程中巖土體和結(jié)構(gòu)會(huì)處于反復(fù)加卸載狀態(tài)， Fishman[8]通過(guò)試驗(yàn)分析了理想巖石節(jié)理在循環(huán)加卸載條件下的接觸特性。

在目前的盾構(gòu)隧道中，盾構(gòu)管片由幾塊預(yù)制的鋼筋混凝土塊體拼裝組成，管片塊體與塊體之間存在接縫、環(huán)與環(huán)之間存在接頭，在接縫和接頭處管片塊體上均帶有傳力橡膠墊層。隧道開(kāi)挖和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，盾構(gòu)管片經(jīng)受加載和卸載過(guò)程，使得接縫和接頭處管片塊體間產(chǎn)生接觸摩擦作用，對(duì)盾構(gòu)管片的穩(wěn)定性有很大影響[9-12]。管片接縫和接頭處的橡膠墊層為超彈性材料，對(duì)接縫和接頭處的接觸摩擦作用有很大影響。文獻(xiàn)[13-14]在研究管片接縫對(duì)管片的影響作用時(shí)考慮了接縫處的止水橡膠墊層和傳力橡膠墊層，研究結(jié)果表明添加橡膠墊層的管片接頭剛度為不添加橡膠墊層管片接頭剛度的1/3～1/5，管片接頭剛度隨著接頭荷載的增加表現(xiàn)出明顯的非線性。張建剛等[15]研究了不同承壓墊層條件下的管片接頭端面應(yīng)力分布特性，結(jié)果表明承壓墊層對(duì)端面壓應(yīng)力分布有很大影響。

由于接觸本身為高度非線性問(wèn)題，加之與超彈性橡膠墊層聯(lián)合在一起，導(dǎo)致解析值不能準(zhǔn)確反映管片接縫和接頭處的接觸摩擦特性，同時(shí)對(duì)管片接縫和接頭接觸摩擦相關(guān)的試驗(yàn)研究較少。因此，本文采用帶有橡膠墊層的混凝土試件來(lái)模擬盾構(gòu)管片和橡膠墊層，通過(guò)加卸載條件下的直剪試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)研究帶有橡膠墊層的混凝土接觸面的力學(xué)性能，以期為盾構(gòu)隧道管片接縫和接頭的計(jì)算分析提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

1.1試驗(yàn)儀器

直剪試驗(yàn)儀器主要由加載裝置和剪切盒組成。其中加載裝置采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的深部巖石非線性力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示。該加載系統(tǒng)可同時(shí)在X、Y、Z3個(gè)方向進(jìn)行加載，3個(gè)方向最大加載值為50、45、45 kN，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)頂部和兩側(cè)位移的荷載監(jiān)測(cè)裝置，得出試驗(yàn)過(guò)程中試件的荷載、位移與時(shí)間的關(guān)系曲線。剪切盒由上下2部分組成，尺寸為320 mm×160 mm×145 mm，剪切盒上部和下部的內(nèi)部尺寸均為110 mm×110 mm×50 mm，試驗(yàn)過(guò)程中在剪切盒內(nèi)添加鋼墊塊將試驗(yàn)試件固定。單軸壓縮試驗(yàn)通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，最大加載荷載為2 000 kN。

圖1 試驗(yàn)加載裝置

1.2試樣制備

試驗(yàn)試件主要有混凝土塊體和橡膠墊層。混凝土塊體參照盾構(gòu)混凝土管片制作的配比要求進(jìn)行澆筑制作，尺寸為100 mm×100 mm×50 mm(誤差±1 mm)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。橡膠墊層采用盾構(gòu)隧道管片中常用的傳力橡膠墊層，為不可壓縮超彈性材料，厚度為2 mm，截面尺寸為100 mm×100 mm(誤差±1 mm)，與混凝土試件表面尺寸相同。試驗(yàn)中將橡膠墊層粘貼在混凝土試件上，以此來(lái)模擬盾構(gòu)隧道管片和橡膠墊層，帶有橡膠墊層的混凝土試件如圖2所示。

圖2 帶有橡膠墊層的混凝土試件

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

試驗(yàn)中采用帶有橡膠墊層的混凝土試件來(lái)模擬盾構(gòu)管片和橡膠墊層，通過(guò)試件的直剪試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)研究盾構(gòu)管片接縫的接觸特性。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)軸向荷載時(shí)，首先利用地層結(jié)構(gòu)法，建立二維有限元模型，對(duì)埋深22.6 m的隧道管片受力性態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)要的數(shù)值計(jì)算。模型中管片厚度為0.3 m，寬為1.2 m，外徑為3 m，計(jì)算時(shí)采用均值圓環(huán)模型。分析不同截面受力性態(tài)，得出管片截面壓應(yīng)力范圍為1.5～17 MPa。直剪試驗(yàn)中設(shè)計(jì)軸向應(yīng)力為7 MPa和10 MPa 2種工況，每組應(yīng)力條件均做2組平行試驗(yàn)。為了計(jì)算接觸面的法向和切向接觸剛度，試驗(yàn)中根據(jù)剪切應(yīng)力值和軸向應(yīng)力值分別設(shè)計(jì)了幾次加卸載操作，具體見(jiàn)下述各試驗(yàn)方法。

1)直剪試驗(yàn)方法： 試驗(yàn)采用荷載控制的加載方式進(jìn)行軸向加載，加載速率為0.5 kN/s，加載完成后，保載3 min；采用位移控制的加載方式進(jìn)行水平(剪切方向)加載，加載速率為0.02 mm/s，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到 0.5 MPa時(shí)，進(jìn)行卸載，再加載。此后每隔0.5 MPa均進(jìn)行卸載再加載操作，直至剪切應(yīng)力達(dá)到峰值。在剪切應(yīng)力達(dá)到峰值過(guò)后，再進(jìn)行2次加卸載操作。

2)單軸壓縮試驗(yàn)方法： 試驗(yàn)采用荷載控制的加載方式進(jìn)行加卸載，加載速率為0.3 mm/s。當(dāng)軸向應(yīng)力分別達(dá)到1、5、10、20、40 MPa時(shí)進(jìn)行卸載再加載操作，當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值過(guò)后，再進(jìn)行2次加卸載操作。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1 剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系

圖3和圖4分別示出軸向應(yīng)力為7 MPa和10 MPa加卸載條件下剪切應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，分別提取試驗(yàn)的軸向應(yīng)力、峰值應(yīng)力以及殘余剪切應(yīng)力等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

(a) 第1組試驗(yàn)

(b) 第2組試驗(yàn)

Fig. 3 Relationships between shear stress and shear displacement (axial stress of 7 MPa)

(a) 第3組試驗(yàn)

(b) 第4組試驗(yàn)

Fig. 4 Relationships between shear stress and shear displacement (axial stress of 10 MPa)

表1 試驗(yàn)結(jié)果

由表1分析試驗(yàn)結(jié)果可知：

1)不同軸向應(yīng)力條件下剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線形式基本相似，剪切應(yīng)力隨剪切位移的變化過(guò)程基本可以分為彈性變形、彈塑性變形和應(yīng)變軟化3個(gè)階段。這主要是由于接觸面在軸向應(yīng)力作用下具有一定的黏聚作用，當(dāng)剪切位移較小時(shí)，接觸面的黏聚作用大于剪切作用，剪切向應(yīng)力隨剪切位移的增加呈線性增長(zhǎng)，直至剪切應(yīng)力在此階段達(dá)到峰值。而當(dāng)接觸面剪切作用超過(guò)接觸面橡膠墊層間的黏聚作用時(shí)，接觸面試件間將產(chǎn)生相對(duì)位移，由于橡膠墊層材料的特性，剪切應(yīng)力值隨著剪切位移增加開(kāi)始逐漸減小，出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

2)剪切應(yīng)力由峰值逐漸減小到殘余應(yīng)力值， 2種軸向應(yīng)力條件下峰值應(yīng)力的殘余百分比為55%～65%。

3)橡膠墊層盡管很薄，但是作為典型的柔性材料，在混凝土之間起到良好的緩沖作用。接觸面的應(yīng)力變形會(huì)伴有明顯的軟化變形階段，因此混凝土接縫或接頭處的橡膠墊可以有效避免應(yīng)力集中，并緩沖管片的失穩(wěn)破壞過(guò)程。

4)試驗(yàn)結(jié)果中，軸向應(yīng)力為7 MPa的2組試驗(yàn)結(jié)果相差較小，而軸向應(yīng)力為10 MPa的2組試驗(yàn)結(jié)果中剪切峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力相差較大。這主要是由于試驗(yàn)試件均由混凝土塊體和橡膠墊層通過(guò)人工粘貼而成，粘結(jié)質(zhì)量受人為因素影響，在試驗(yàn)過(guò)程中橡膠墊層與混凝土塊體之間可能出現(xiàn)相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)離散現(xiàn)象。

2.1.2 切向接觸剛度計(jì)算

接觸面的法向和切向接觸剛度常用來(lái)描述接觸面的受力變形特性，二者通常根據(jù)應(yīng)力-位移曲線起始階段的斜率確定，但是對(duì)于在加載開(kāi)始就產(chǎn)生塑性變形的情況，很難再采用上述方法確定接觸剛度系數(shù)。Desia等[16]提出利用應(yīng)力與位移曲線中的卸載曲線的斜率來(lái)計(jì)算相應(yīng)的接觸面剛度。根據(jù)此方法對(duì)帶有橡膠墊層混凝土的接觸面的切向接觸剛度進(jìn)行計(jì)算，不同工況下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由于粘貼質(zhì)量的不同，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)離散現(xiàn)象，但不同軸向應(yīng)力條件下計(jì)算的切向接觸剛度相差較小，切向剛度平均值為2.03 MPa/mm。

表2 切向接觸剛度

2.2單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 軸向應(yīng)力與軸向位移的關(guān)系

圖5示出帶有橡膠墊層混凝土的接觸面在循環(huán)加卸載條件下的軸向應(yīng)力與軸向位移關(guān)系曲線。由圖可知：

1)當(dāng)軸向位移較小時(shí)，軸向應(yīng)力增加緩慢。這主要是由于混凝土試件上帶有橡膠墊層，其抗壓強(qiáng)度小于混凝土抗壓強(qiáng)度。在軸向應(yīng)力作用下，橡膠墊層首先產(chǎn)生塑性變形，起到了很好的緩沖作用；并且由于試件的平整度不足，接觸面處存在一定的空隙，在壓縮過(guò)程中空隙得以壓實(shí)，使得在初始?jí)嚎s位移時(shí)接觸面的軸向應(yīng)力增加幅度較小。

2)隨著軸向位移增大，軸向應(yīng)力增加幅度明顯變大。這主要是由于隨著軸向應(yīng)力的增大，橡膠墊層變形已達(dá)到極限，此時(shí)剛度較大的混凝土試件開(kāi)始產(chǎn)生變形。

3)當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，隨著軸向位移的增加，混凝土試件開(kāi)始發(fā)生破壞，軸向應(yīng)力急劇下降，并出現(xiàn)階梯狀下降。這主要是由于橡膠墊層具有緩沖作用，對(duì)管片的失穩(wěn)破壞具有一定延緩作用。

(a) 第1組試驗(yàn)

(b) 第2組試驗(yàn)

2.2.2 法向接觸剛度計(jì)算

對(duì)比2組試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，第1組試驗(yàn)軸向應(yīng)力峰值明顯小于第2組試驗(yàn)，這主要是由于混凝土試件表面平整度不足，壓縮過(guò)程中可能出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得試件產(chǎn)生局部破壞，從而使得軸向峰值應(yīng)力較小。

同樣根據(jù)上述切向接觸剛度的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算法向接觸剛度，2組試驗(yàn)計(jì)算法向接觸剛度分別為36、35.7 MPa/mm，二者平均值為35.85 MPa/mm。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)帶有橡膠墊層混凝土的直剪和單軸壓縮試驗(yàn)，探究了帶有橡膠墊層混凝土接觸面的接觸特性，主要得出以下結(jié)論：

1)帶有橡膠墊層混凝土的接觸面剪切應(yīng)力隨剪切位移變化過(guò)程基本可以分為彈性變形、彈塑性變形和應(yīng)變軟化階段。

2)橡膠墊層作為典型的柔性材料，在混凝土之間起到了良好的緩沖作用，使接觸面的應(yīng)力變形伴有明顯的軟化變形階段，可以有效避免應(yīng)力集中，緩沖管片的失穩(wěn)破壞過(guò)程。

3)當(dāng)管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50、傳力墊層厚度為2 mm時(shí)，傳力墊層接觸面間的法向和切向接觸剛度分別為35.85 MPa/mm和2.03 MPa/mm，為盾構(gòu)管片接縫和接頭處接觸摩擦特性的分析計(jì)算提供參考。

為了能夠更好地描述管片接縫和接頭處的接觸特性，建議考慮接觸面的尺寸效應(yīng)，通過(guò)與管片接縫和接頭處相同形式的直剪和單軸壓縮試驗(yàn)來(lái)研究接觸面的接觸摩擦效應(yīng)，這對(duì)分析接縫和接頭對(duì)管片穩(wěn)定性的影響具有重要意義。

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ExperimentalStudyofContactCharacteristicsofRubberCushionUsedinShieldSegmentJoints

ZHANG Zhenyu1, 2, LI Haojie1, 2, LI Chaojun3, JIA Changheng1, 2, FENG Jili1, 2

(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China; 2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China; 3.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

The shield segment and rubber cushion are simulated by concrete specimens with rubber cushion to study the contact characteristics of shield segment joints. The contact characteristics of the joints of shield segment are investigated by direct shear test and uniaxial compression test under cyclic loading and unloading conditions. The test results show that: 1) The shearing process can be divided into elastic deformation, elastoplastic deformation and strain softening stage; and the residual percentage of the peak shear stress is about 55%- 65%. 2) The rubber cushion plays a good buffer role between the concretes, which may delay the buckling failure of the tunnel segments. 3)The normal and tangential contact stiffness of the contact surface is obtained when the concrete strength of the tunnel segments is C50 and the thickness of the cushion is 2 mm, so as to provide reference for analyzing and calculating the contact friction of the cushion.

shield segment; joints; contact friction; rubber cushion; contact stiffness

2017-01-12;

2017-09-07

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1261212)； 國(guó)家博士后面上基金(2016M592888XB)； 重慶市博士后基金(Xm2016055)

張振宇(1989—)，男，河北唐山人，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)榈叵陆Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。E-mail: zhangzhenyu891011@163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.007

U 45

A

2096-4498(2017)11-1404-05