大口徑預應力鋼筒混凝土管頂管軸向頂進的力學性能試驗研究

汪洪濤

上海城投水務工程項目管理有限公司 上海 201103

1 研究背景

預應力鋼筒混凝土管（簡稱PCCP）是由鋼板、預應力鋼絲、混凝土和水泥砂漿等4種基本原材料在經(jīng)過鋼筒成型、混凝土澆筑、預應力控制和保護層噴射等制造工藝后，構成的一種新型復合管材。PCCP因其具有較好的耐高壓性、抗?jié)B性、耐久性及經(jīng)濟性等優(yōu)勢，在越來越多的輸水、供水、排水排污工程、電廠循環(huán)水管道等水利工程與市政建設中得到廣泛應用。目前國內(nèi)外PCCP施工基本采用開槽埋管的方式，如地質條件較好，大多為放坡開挖。通過上海地區(qū)多個重大輸水工程的前期研究發(fā)現(xiàn)，雖然PCCP管材價格具有優(yōu)勢，但上海地區(qū)由于軟土層較厚、地下水位較高，需要采用支護開挖，且征借地和綠化賠償費用較高，采用PCCP開挖埋管的成本往往高于鋼管頂管，不再具有經(jīng)濟優(yōu)勢。因此，將PCCP管與頂管施工方式相結合是既降低工程造價、又發(fā)揮PCCP管特點的創(chuàng)新舉措。國內(nèi)外關于PCCP埋管和混凝土頂管的試驗研究較多[1-5]，目前還鮮見關于預應力鋼筒混凝土管頂管（簡稱JPCCP）的試驗和理論研究，相應的規(guī)范更未形成。JPCCP作為一種施工形式，頂力工況是區(qū)別于常規(guī)PCCP的重要特征，而這種新型工藝的頂管管材是否能夠滿足頂進施工所需的抗力還缺乏相應的試驗研究。為此，本文對JPCCP頂管軸向頂進力學性能進行試驗研究分析，以期能為結構優(yōu)化設計和規(guī)范編制提供數(shù)據(jù)支持，并為后續(xù)推廣應用提供依據(jù)。

2 試驗方案研究

為驗證JPCCP結構設計的合理性和探究JPCCP在施工過程中的真實力學行為特性，本次試驗進行了直線頂進、有偏角頂進的JPCCP原型管頂進模擬。原型試驗能夠充分研究管道結構在施工過程中的力學性能，更能充分研究管道復合結構之間的相互作用、結構的整體剛度等多方面特點。

2.1 頂力設計

允許頂力是頂管工程設計的重要組成部分，頂力與管材、頂管井、土層和施工措施等因素相關。本次試驗管材為JPCCP，生產(chǎn)廠商提供的DN3 600 mm頂管的最大允許頂力不小于30 000 kN。通過調(diào)研目前國內(nèi)最大的混凝土頂管工程——上海市污水治理白龍港片區(qū)南線輸送干線完善工程的DN4 000 mm鋼筋混凝土頂管，該工程最大頂力不超過14 000 kN。本次試驗頂力以該工程的最大頂力作為參考。根據(jù)GB 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》的要求，試驗頂力可為實際頂力的1.5倍。因此，此次試驗設計頂力確定為14 000 kN×1.5=21 000 kN。

2.2 試驗頂管井

模擬頂管頂進過程中的管節(jié)受力情況時，最重要的環(huán)節(jié)就是能夠對管節(jié)施加足夠量的荷載，并且施加荷載的設備與頂管設備基本相同。

為真實地滿足模擬施工中JPCCP管的需要，綜合考慮試驗目的和保證試驗安全，將管節(jié)及全套的頂進設備置入一個半地下矩形頂管井（圖1）。頂管井內(nèi)凈尺寸為7.0 m×9.5 m×5.0 m（深），設計最大允許頂力為21 000 kN。為平衡頂力，工作井還建立了剛性后座。利用左側千斤頂施加頂力，利用上、下兩側千斤頂來調(diào)整JPCCP管的偏離角度。

圖1 試驗工作井示意

2.3 試驗對象及設備

試驗對象為2節(jié)DN3 600 mm的JPCCP，每節(jié)長度3 m。試驗前，生產(chǎn)廠商應出具完整的管道材料及制作檢測報告。

模擬頂進荷載試驗所需的設備（圖2、圖3）有：主頂千斤頂6只（單只頂力400 t）、雙作用側頂油缸4只（單只頂力150 t）、油壓傳感器3套、油泵車2臺、環(huán)形頂鐵1副、試驗管2節(jié)、模擬頂進控制系統(tǒng)1套、視頻監(jiān)控設備1套、照明設備1套。

2.4 試驗工況

試驗包含10個工況（表1），共進行了3種試驗：無偏轉頂進試驗、一定偏轉角度下頂進試驗、極限偏轉角度下頂進試驗。前3個工況是對直線頂進（無偏角）的模擬；第4～6工況是對出現(xiàn)偏角為0.38°的頂進模擬；第7～10工況是對出現(xiàn)偏角為0.5°的頂進模擬。

圖2 試驗設備實物

圖3 千斤頂位置示意

表1 試驗工況

無偏角頂進試驗的兩管管端截面完全接觸，無張開角度或張開角度極小，兩管軸線基本重合。但實際施工中由于地質條件的復雜性、頂力控制的技術難度等原因導致頂管在施工過程中會出現(xiàn)不同程度的偏離，偏角頂進試驗就是探究頂管出現(xiàn)這種偏離后管的真實形變狀態(tài)。

3 試驗測點布置與數(shù)據(jù)采集

3.1 主要觀測指標

1）頂進過程中混凝土、鋼筋和鋼筒的應變（軸向），測量位置包括鋼筋、鋼筒、中間層混凝土內(nèi)部及外層混凝土外壁和內(nèi)層混凝土內(nèi)壁。

2）頂進過程中的裂縫觀測（內(nèi)壁和外壁的裂縫產(chǎn)生和擴展過程）。

3）頂進過程中的鋼絲應力（環(huán)向），測量位置包括預應力鋼絲。

4）頂進過程中鋼筒與中間層混凝土、外層混凝土與預應力鋼絲接觸應力及接觸狀態(tài)。

5）頂進過程中管節(jié)接頭部位的壓縮、張開量。6）頂進過程中管節(jié)接頭部位的應力狀態(tài)。

3.2 測點的布置方案

為了研究管道結構的應力應變分布規(guī)律，并結合現(xiàn)場的試驗條件，在每節(jié)JPCCP管上選取3個橫斷面，各斷面混凝土管芯內(nèi)部、內(nèi)壁與混凝土外環(huán)外壁、鋼筋及鋼絲等按一定規(guī)律布置測點。

測點布置方法包括表面粘貼法和預埋傳感器法。表面粘貼法是指在JPCCP管內(nèi)壁和外表面上粘貼應變片等傳感器；預埋傳感器法是指在JPCCP管內(nèi)部埋置傳感器，這個過程主要在JPCCP管制作過程中完成，如澆筑內(nèi)環(huán)和中環(huán)混凝土之前在鋼筒內(nèi)壁上安裝應變計和在中間層混凝土中埋設應變計，澆筑外環(huán)混凝土之前在鋼絞線、鋼筋上布置應變片等。

對于管芯內(nèi)壁，其本身比較光滑，直接用砂紙打磨后擦以無水酒精進行清洗，然后用502膠粘貼電阻應變片，再用長10 m的導線引出，最后涂以704硅膠以防止試驗前應變片受外界因素影響。

對于外環(huán)混凝土外側，先用砂輪機打磨出一平面并用砂紙打磨光滑，再涂以一層較薄的環(huán)氧樹脂，待樹脂干硬后，再用無水酒精進行清洗，然后用502膠粘貼電阻應變片，并用長10 m的導線引出，最后涂704硅膠進行密封。

為了便于澆筑試件及保護測點數(shù)據(jù)線，所有數(shù)據(jù)線均通過鋼筋及焊接的支架牢靠地固定在混凝土內(nèi)部，同時數(shù)據(jù)線通過在內(nèi)外表面及端部設置接線盒引出。

在頂進試驗中，由于管節(jié)內(nèi)外表面均可方便地接線，故預埋的測點數(shù)據(jù)線接線盒的布置方案為：所有預埋測點的數(shù)據(jù)線均通過布置在鋼筒外表面的接線盒引出。

4 試驗結果與結論

由于篇幅限制，所以本文不對試驗開展過程進行贅述，直接提取試驗結果進行分析。

4.1 試驗結果

試驗各工況的最大壓應變?nèi)绫?所示。試驗中內(nèi)層混凝土最大壓應變?yōu)?60 μ ε，中間層混凝土最大壓應變?yōu)?90 μ ε，外層混凝土最大壓應變?yōu)? 260 μ ε，鋼筒最大壓應變?yōu)?90 μ ε，縱筋最大壓應變?yōu)?60 μ ε。因此，可以看出各參數(shù)均處于安全范圍之內(nèi)，未達到其極限壓應變（3 300 μ ε）。

試驗各工況的最大拉應變?nèi)绫?所示（“無”表示無拉應變）。試驗中內(nèi)層混凝土最大拉應變?yōu)?0 μ ε，中間層混凝土最大拉應變?yōu)?0 μ ε，外層混凝土除后管第三截面315°處最大拉應變?yōu)?02 μ ε之外，混凝土其余各測點的最大拉應變均小于80 μ ε，且都小于混凝土極限拉應變（110 μ ε）。

表2 各工況最大壓應變值

表3 各工況最大拉應變值

4.2 試驗結論

4.2.1 直線頂進

在頂力達到2 100 kN時，管的最大壓應變?yōu)楹蠊芡獗韺拥膲簯?03 μ ε，遠遠小于混凝土的極限壓應變3 300 μ ε。外層混凝土的壓應變普遍大于中間層混凝土及鋼筒的壓應變，表明外層混凝土與中間層及鋼筒之間有錯開趨勢。

直線頂進中，中間層混凝土與鋼筒面的接觸力隨荷載的增大而趨于減小。從中間層混凝土與鋼筒表面、鋼絲與外層混凝土接觸應變曲線上看，無突變出現(xiàn)，表明接觸處未發(fā)生錯開。

試驗后通過現(xiàn)場觀測管節(jié)未發(fā)現(xiàn)可見的新增裂縫。在試驗頂力直線頂進試驗工況下，JPCCP表現(xiàn)出較好的結構性能。兩管接觸面的壓應力對兩管的偏角變化較為敏感，較小偏角將引起應力的快速增大，但壓應力的最大值小于14 MPa。

4.2.2 偏角頂進

混凝土內(nèi)外表層出現(xiàn)拉應變，并且拉應變主要出現(xiàn)在頂管截面受荷對側的位置。管的中間層混凝土與鋼筒、鋼絲與外層混凝土的軸向應變不相等，表明它們之間有錯動的趨勢。

偏角頂進試驗中，中間層混凝土與鋼筒接觸力狀態(tài)較為復雜，當接觸力呈現(xiàn)減小狀態(tài)時，層間有錯開的趨勢。

試驗各工況中，鋼絲表面與外層混凝土之間的接觸力呈現(xiàn)減小狀態(tài)，有錯開的趨勢。從中間層混凝土與鋼筒、鋼絲與外層混凝土的接觸力曲線上看，無突變出現(xiàn)，表明接觸處在試驗中未發(fā)生錯開。

試驗后，通過現(xiàn)場觀測管節(jié)未發(fā)現(xiàn)可見的新增裂縫。在試驗頂力偏角頂進下，JPCCP具有較好的結構性能。

4.2.3 建議

JPCCP中預應力鋼絲對結構的力學性能及安全狀態(tài)有著至關重要的作用?？紤]到鋼絲與外層混凝土界面在試驗中隨著頂力的增加有錯開的趨勢，為保證施工頂進中兩者良好的接觸，建議在條件允許的情況下，采取一定的構造措施進一步增強鋼絲與外層混凝土間的連接力。為保證施工頂進時中間層混凝土與鋼筒間良好的接觸，建議在條件允許的情況下，采取一定的構造措施進一步增強兩者間的連接力。在頂管施工中，不可避免地會出現(xiàn)偏差，要及時地對偏差進行糾正，避免大偏角頂進（建議控制值為0.38°）。

5 結語

本次開展的頂進試驗主要研究了軸向頂進力情況下JPCCP的力學性能。而實際工程中，JPCCP除了受到軸向頂力與摩阻力作用，還要承受橫向的水土壓力作用，處于復雜的三向受力狀態(tài)。為了進一步獲取和評估JPCCP在實際頂進過程中的力學特性，并為優(yōu)化管節(jié)制作、設計及施工措施提供依據(jù)，建議結合工程試驗段，作為前期試驗工作的延續(xù)與對比，開展施工頂進現(xiàn)場JPCCP的結構性能測試與狀態(tài)監(jiān)測，獲取頂進過程中連續(xù)的混凝土應變、管節(jié)接頭接觸力與變形、管節(jié)變形等關鍵參數(shù)，為結構優(yōu)化設計和大規(guī)模的推廣應用提供翔實的理論數(shù)據(jù)支撐。