地下糧倉塑料-混凝土防水體系抗水壓試驗(yàn)

張 昊，孟慶婷，陶元慶，王振清，康少朋，張祥祥

·農(nóng)產(chǎn)品加工工程·

地下糧倉塑料-混凝土防水體系抗水壓試驗(yàn)

張 昊，孟慶婷，陶元慶，王振清，康少朋，張祥祥

（河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州 450001）

地下糧倉具有節(jié)能、節(jié)地、低溫和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但由于地下水的影響，防水防潮一直是安全儲(chǔ)糧的技術(shù)難題，為此提出以聚丙烯塑料（Polypropylene Plastic，PP）作為內(nèi)襯材料的塑料-混凝土防水體系，其中，塑料板與混凝土采用塑料栓釘連接?？紤]不同栓釘間距200、300和400 mm，設(shè)計(jì)制作了3個(gè)用于地下糧倉的塑料-混凝土水壓試件，進(jìn)行了水壓加載試驗(yàn)，分析了塑料構(gòu)件在水壓作用下形態(tài)、破環(huán)機(jī)理、內(nèi)力和變形。試驗(yàn)結(jié)果表明：在水壓作用下，塑料板內(nèi)應(yīng)力和位移都隨水壓的增大而增大，節(jié)點(diǎn)位置承受較大拉力且應(yīng)力最大值分布不均，跨中位置承受應(yīng)力較小且最大值分布均勻；塑料板內(nèi)跨中位置的位移值隨水壓增大呈線性增加，節(jié)點(diǎn)位置的位移值變化較小。在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，在10 mm厚塑料板和給定連接節(jié)點(diǎn)條件下，提出了塑料-混凝土防水體系優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，塑料-混凝土防水體系達(dá)到水壓承載力時(shí)其破壞模式隨栓釘間距的變化而不同，在栓釘間距為200 mm時(shí)，其水壓承載力達(dá)到180 kPa時(shí)發(fā)生節(jié)點(diǎn)焊縫強(qiáng)度破環(huán)，此類構(gòu)件可通過增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)處焊縫強(qiáng)度提高塑料構(gòu)件的整體水壓承載力；在栓釘間距為300 mm時(shí)，其水壓承載力達(dá)到80 kPa時(shí)發(fā)生塑料板破環(huán)，此類構(gòu)件可通過增大板厚來提高構(gòu)件的整體水壓承載力；在栓釘間距為400 mm時(shí)，其水壓承載力達(dá)到38 kPa時(shí)發(fā)生節(jié)點(diǎn)焊縫強(qiáng)度破環(huán)，此類構(gòu)件可增大節(jié)點(diǎn)焊縫強(qiáng)度來提高構(gòu)件的整體水壓承載力，研究結(jié)果為地下糧倉的防水設(shè)計(jì)提供參考。

力學(xué)性能；節(jié)點(diǎn)；地下糧倉；聚丙烯塑料；水壓加載試驗(yàn)；水壓承載力

0 引 言

地下糧倉建造在淺層地表下，具有低溫、節(jié)能、節(jié)地、綠色環(huán)保和戰(zhàn)平兩用等優(yōu)點(diǎn)，是構(gòu)建低溫節(jié)能地下空間綠色儲(chǔ)糧新體系，是實(shí)現(xiàn)糧食行業(yè)綠色發(fā)展的理想倉型[1]。地下儲(chǔ)糧歷史悠久[2-3]，近年來，不少學(xué)者致力于研究不受地下水位、地質(zhì)條件制約的現(xiàn)代新型地下糧倉，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)受力試驗(yàn)與數(shù)值分析[4-8]、結(jié)構(gòu)抗浮[9]、新型支護(hù)體系[10]、傳熱與通風(fēng)[11-12]等系統(tǒng)研究。但是由于地下糧倉高標(biāo)準(zhǔn)的防水防潮要求，防水防潮一直是地下糧倉設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)難題。聚丙烯塑料（Polypropylene Plastic，PP）物理性能較好，無毒無害[13]，符合食品接觸用塑料制品標(biāo)準(zhǔn)[14]，而且防水，耐腐蝕，易于施工，為此提出以PP作為內(nèi)襯材料的塑料-混凝土防水體系，具體做法是將混凝土與PP防水板通過PP棒和PP連接板連接，該防水體系能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)與防水的一體化施工，較好解決外防水卷材、涂料易脫落且不易修復(fù)，鋼板防水容易腐蝕等常用地下防水措施所帶來的問題。目前國內(nèi)外學(xué)者對隧道、地下管廊等類似工程領(lǐng)域的防水應(yīng)用進(jìn)行了較多研究[15-21]。但是對聚丙烯塑料等工程塑料在地下糧倉的防水應(yīng)用則較少[22-27]。其中，張昊等[22]對地下糧倉內(nèi)襯膠粘聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）水晶板接縫粘結(jié)性能、閉水性能和工程承壓能力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明PVC水晶板的膠粘接縫剪切和剝離強(qiáng)度均符合規(guī)范要求,閉水性能良好。張淑媛[23]通過抗拔試驗(yàn)研究了開槽、塑料棒的直徑，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，溫度等因素對塑料棒與混凝土的抗拔力的影響，得出了塑料棒在混凝土中通過表面開槽可以大幅提高抗拔力，并且隨著塑料棒直徑增大或者提高混凝土強(qiáng)度，抗拔力也隨之增大。常哲等[24]通過抗拔試驗(yàn)對螺紋型聚丙烯棒在混凝土中的粘結(jié)性能和其破壞形態(tài)進(jìn)行了研究。常晨輝[25]對焊接、螺紋、螺紋加固型、螺紋焊接加固型等不同塑料節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行軸心受拉試驗(yàn)，分析不同節(jié)點(diǎn)形式的受力特點(diǎn)和性能，得到了塑料焊縫強(qiáng)度公式。席達(dá)等[26]對膠粘在地下糧倉內(nèi)部的不同形式聚丙烯塑料板焊縫進(jìn)行了水壓試驗(yàn)，為地下糧倉的防水防潮提供了依據(jù)。丁明等[27]將聚丙烯塑料板膠粘在地下糧倉內(nèi)部作為防水層，對其與混凝土之間的拉伸粘接強(qiáng)度、閉水性能等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

綜上所述，基于膠粘的塑料-混凝土防水體系研究較為成熟，為地下糧倉的防水防潮設(shè)計(jì)提供了參考，而基于塑料栓釘連接的塑料-混凝土防水體系研究還僅限于塑料焊縫和塑料栓釘在混凝土的抗拔性能。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對地下糧倉塑料-混凝土防水體系，基于200、300、400 mm 3種不同栓釘間距水壓試件進(jìn)行了水壓加載試驗(yàn)，分析塑料構(gòu)件在水壓作用下的破壞形態(tài)、破環(huán)機(jī)理、內(nèi)力和變形。在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，提出塑料-混凝土防水體系優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，為地下糧倉的防水設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和參考。

1 試件設(shè)計(jì)與制作

防水體系由PP防水板、PP栓釘（見圖1a所示）、PP連接板、節(jié)點(diǎn)焊縫和混凝土板組成，PP栓釘與PP連接板采用螺栓連接，PP連接板與PP防水板通過焊縫連接。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)塑料-混凝土水壓試件，如圖1所示，PP防水板厚度為10 mm，試件內(nèi)側(cè)布置5行5列PP栓釘，栓釘間距分別為200、300、400 mm，所對應(yīng)試件編號(hào)分別為PCS-1、PCS-2、PCS-3。

注：d為栓釘間距，m；L為構(gòu)件長度，mm。下同。

1.1 內(nèi)襯塑料構(gòu)件

為節(jié)省材料，充分發(fā)揮栓釘?shù)目拱瘟Σ⒔Y(jié)合水壓試驗(yàn)試件厚度，采用的PP栓釘直徑為25 mm，總長為95 mm，PP栓釘一端進(jìn)行車絲處理，螺距根據(jù)GB/T193-2003普通螺紋直徑與螺距系列[28]標(biāo)準(zhǔn)選擇螺距間距為2 mm，車絲總長度為20 mm；根據(jù)常晨輝[25]PP連接板的直徑取為90 mm，既保證焊縫處和螺紋連接處強(qiáng)度相當(dāng)，也使材料的強(qiáng)度得到充分利用；從工程實(shí)際應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性方面考慮，PP防水板的厚度選為10 mm。內(nèi)襯塑料構(gòu)件見圖1b所示。

1.2 水壓試驗(yàn)構(gòu)件

在內(nèi)襯塑料構(gòu)件四周設(shè)置塑料模板，同時(shí)為了更好防止在水壓加載過程中發(fā)生水流滲出增設(shè)止水塑料板。塑料模板、止水塑料板與PP防水板的連接均為焊縫連接；為了在試件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)均布水壓，PP連接板、止水塑料板與PP擋板分別進(jìn)行焊接連接，以形成注水空間。在試件中心位置設(shè)置注水孔，四周位置設(shè)置排氣孔（如圖1c所示）。試件內(nèi)部鋼筋網(wǎng)選擇8鋼筋進(jìn)行雙層布置，間距為200 mm，試件四角處放置直徑為12的鋼筋吊環(huán)，PP栓釘頂部混凝土保護(hù)層厚度設(shè)為45 mm，防止水溢出。待水壓試件制作完成后，進(jìn)行混凝土澆筑，如圖2所示。

圖2 試件示意圖

2 測試方案

為了掌握防水塑料板在水壓作用下應(yīng)變的分布情況，根據(jù)其受力特點(diǎn)及邊界條件，在防水塑料板內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)位置粘貼24個(gè)應(yīng)變片，如圖3所示；塑料構(gòu)件外側(cè)對應(yīng)四節(jié)點(diǎn)間中間（簡稱跨中）選取8處粘貼應(yīng)變片，編號(hào)為SK-H31～H34和SK-H41～H44，如圖4所示。為了測定防水塑料板上的最大位移和塑料栓釘端部節(jié)點(diǎn)處的位移，探究試件的位移變化規(guī)律，在PP防水板外側(cè)節(jié)點(diǎn)處布置位移測點(diǎn)7個(gè)，編號(hào)為WY-JD1～WY-JD7，跨中布置位移測定點(diǎn)8個(gè)，編號(hào)為WY-KZ1～WY-KZ8，如圖4所示。圖4中黑色長方形代表應(yīng)變片測點(diǎn)，黑色圓點(diǎn)代表位移計(jì)測點(diǎn)。

注：JD表示構(gòu)件上節(jié)點(diǎn)，N、W、E、S分別表示節(jié)點(diǎn)中心線上不同方向，數(shù)字表示應(yīng)變測點(diǎn)位置。下同。

圖4 試件外側(cè)位移計(jì)、應(yīng)變片設(shè)置示意圖

3 試件水壓試驗(yàn)

3.1 材料性能試驗(yàn)

3.1.1 塑料拉伸性能

試驗(yàn)參照GB/T 1040－2006對聚丙烯進(jìn)行試樣制作（如圖5所示）和塑料拉伸性能測定[29]，聚丙烯塑料的應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量、泊松比等數(shù)據(jù)詳見表1。

圖5 聚丙烯塑料試樣

表1 塑料拉伸性能

3.1.2 混凝土抗壓強(qiáng)度

在水壓試驗(yàn)試件混凝土澆筑過程中，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50152-2012）[30]制作6個(gè)150 mm×150 mm×150 mm混凝土試件，混凝土試件，標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為41.7 MPa。

3.2 水壓加載試驗(yàn)

水壓加載裝置采用承德市科標(biāo)檢測儀器制造有限公司生產(chǎn)的KXGJ系列靜液壓試驗(yàn)機(jī)，由壓力控制主機(jī)、壓力站、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)組成。正式加載前，先注水排出PP防水板和PP擋板之間的氣體，形成穩(wěn)定水壓，待4個(gè)排氣孔有水流出時(shí)關(guān)閉排氣孔閥門。正式水壓加載試驗(yàn)，設(shè)置初始水壓為10 kPa，增幅壓力為10 kPa，逐級(jí)加載直至試件破壞，每級(jí)壓力保壓3 min，并記錄相應(yīng)位移、應(yīng)變值。試件加載裝置、現(xiàn)場試驗(yàn)圖如圖6所示。

1.水源 2.壓力站 3.主機(jī) 4.控制閥 5.壓力表 6.泄壓閥 7.注水孔 8.排氣孔 9.試件 10.支墩 11.應(yīng)變采集 12.位移采集

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 位移-水壓關(guān)系

4.1.1 節(jié)點(diǎn)位移-水壓關(guān)系

由圖7a可知，試件PCS-1中節(jié)點(diǎn)處位移整體上隨著水壓的增大而增大，當(dāng)水壓加載至最大值180 kPa時(shí)，位移最大值出現(xiàn)在JD4測點(diǎn)位置，其值為0.63 mm，試件PCS-1在12號(hào)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生焊縫破壞；由圖7b可知，試件PCS-2中節(jié)點(diǎn)處位移隨著水壓的增大而增大，各個(gè)測點(diǎn)位移變化趨勢基本相同，當(dāng)水壓加載至最大值80 kPa時(shí)，位移最大值出現(xiàn)在JD7測點(diǎn)位置，其值為0.94 mm，試件PCS-2發(fā)生塑料防水板破壞；由圖7c可知，試件PCS-3中節(jié)點(diǎn)處位移隨著水壓的增大而增大，各個(gè)測點(diǎn)位移變化趨勢基本相同，當(dāng)水壓加載至最大值38 kPa時(shí)，位移最大值出現(xiàn)在JD4測點(diǎn)位置，最大位移值為0.74 mm，試件PCS-3在13號(hào)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生焊縫破壞。綜合分析3個(gè)試件可知，節(jié)點(diǎn)處位移在水壓加載過程中其變化值都較小，最大值僅為0.94 mm，該結(jié)果表明塑料栓釘在混凝土中滑移以及節(jié)點(diǎn)處焊縫和螺紋產(chǎn)生的變形很小，其對整體內(nèi)襯塑料構(gòu)件的內(nèi)力影響可忽略不計(jì)。

注：WY表示構(gòu)件的位移，JD表示構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，數(shù)字表示節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

4.1.2 跨中位移-水壓關(guān)系

由圖8a可知，試件PCS-1跨中位移隨水壓的增大而增大，二者基本呈線性關(guān)系；當(dāng)水壓加載至180 kPa時(shí)，試件PCS-1發(fā)生破壞，位移最大值發(fā)生在測點(diǎn)KZ1處，其值為3.15 mm。由圖8b可知，試件PCS-2跨中位移隨水壓增大呈線性增加；在水壓達(dá)到80 kPa時(shí)，試件PCS-2發(fā)生破壞，最大位移為10.91 mm，位于KZ4測點(diǎn)位置。由圖8c可知，試件PCS-3跨中位移隨水壓增加，其值基本呈線性增加；在水壓達(dá)到38 kPa時(shí)，試件PCS-3發(fā)生破壞，最大位移為12.82 mm，位于KZ7測點(diǎn)位置。綜合分析3個(gè)試件，隨著水壓的增大，跨中位移增長趨勢基本相同，跨中位置在水壓作用下，受力較為均勻。

注：表中WY表示構(gòu)件上的位移，KZ表示構(gòu)件四節(jié)點(diǎn)跨中，數(shù)字表示跨中位移測點(diǎn)位置。

4.2 應(yīng)變-水壓關(guān)系

4.2.1 節(jié)點(diǎn)應(yīng)變-水壓關(guān)系

從加載至水壓承載力階段，試件典型節(jié)點(diǎn)處應(yīng)變-水壓曲線如圖9所示，其中試件PCS-1節(jié)點(diǎn)應(yīng)變測點(diǎn)E3和PCS-2節(jié)點(diǎn)測點(diǎn)W2在水壓分別為180和80 kPa時(shí)，出現(xiàn)負(fù)值，受力呈受壓狀態(tài)，這與實(shí)際受力狀態(tài)不一致，因此在圖中將2測點(diǎn)在180 kPa時(shí)應(yīng)變值設(shè)為0。由圖9a可知，試件PCS-1在水壓加載過程中，各測點(diǎn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)變基本上隨水壓的增大而增大，當(dāng)水壓達(dá)到180 kPa時(shí)，應(yīng)變值最大值為0.003 7，其位于JD-S3測點(diǎn)位置；由圖9b可知，試件PCS-2節(jié)點(diǎn)應(yīng)變數(shù)值隨水壓上升而呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，當(dāng)水壓達(dá)到80 kPa時(shí)，應(yīng)變值最大值為0.013，其位于JD-S4測點(diǎn)位置；由圖9c可知，試件PCS-3節(jié)點(diǎn)處應(yīng)變基本呈現(xiàn)隨水壓增大而增大的趨勢，當(dāng)水壓達(dá)到38 kPa時(shí)，應(yīng)變值最大值為0.007 7，其位于JD-S5測點(diǎn)位置；綜合分析3個(gè)構(gòu)件，在達(dá)到水壓承載力時(shí)，各節(jié)點(diǎn)位置在水壓力作用下產(chǎn)生拉應(yīng)變，其應(yīng)變最大值離散性較大，受力比較復(fù)雜，這是由于應(yīng)變測點(diǎn)位置緊鄰焊縫位置，焊縫處產(chǎn)生的應(yīng)力集中對測點(diǎn)的應(yīng)變影響較大。

4.2.2 跨中應(yīng)變-水壓關(guān)系

從加載至水壓承載力階段，試件跨中處應(yīng)變-水壓曲線如圖10所示，由圖10a可知，在水壓加載過程中，試件PCS-1跨中應(yīng)變值隨水壓增大而增大，當(dāng)水壓加載至180 kPa時(shí)，各測點(diǎn)應(yīng)變均達(dá)到最大值，應(yīng)變最大值發(fā)生在應(yīng)變測點(diǎn)H42處，其值為0.004 1；由圖10b可知，試件PCS-2跨中處應(yīng)變均隨水壓的增大而增大，其中測點(diǎn)H32和H42應(yīng)變變化趨勢較平緩，而測點(diǎn)H33和H43的應(yīng)變在水壓加載過程中出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，但各測點(diǎn)應(yīng)變均在水壓達(dá)到80 kPa時(shí)達(dá)到最大值，應(yīng)變最大值發(fā)生在測點(diǎn)H42處，最大值為0.0045；由圖10c可知，試件PCS-3跨中處應(yīng)變值隨水壓的增大而增大，二者基本呈線性關(guān)系，當(dāng)水壓加載至38 kPa時(shí)，各測點(diǎn)應(yīng)變均達(dá)到最大值，應(yīng)變最大值發(fā)生在測點(diǎn)H33處，其值為0.003 5。綜合分析3個(gè)構(gòu)件，在水壓加載過程中，跨中應(yīng)變隨水壓增長的趨勢較為一致，跨中受力比較均勻。

圖9 試件節(jié)點(diǎn)處應(yīng)變-水壓曲線

注：SK表示構(gòu)件四節(jié)點(diǎn)跨中，H表示橫向方向，數(shù)字中第一個(gè)表示行，第二個(gè)表示列。

4.3 破壞過程及形態(tài)

對試件PCS-1，當(dāng)水壓加載至180 kPa時(shí)，試件PCS-1中12號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞，此時(shí)板內(nèi)水壓驟降至40 kPa，當(dāng)水壓繼續(xù)加載至90 kPa時(shí)，塑料防水板發(fā)生破壞，構(gòu)件斷裂位置如圖11a所示。對12號(hào)節(jié)點(diǎn)四周進(jìn)行切割，如圖11b所示，該處節(jié)點(diǎn)處連接板與防水板連接焊縫發(fā)生斷裂破壞，栓釘與連接板螺紋連接處完好。分析節(jié)點(diǎn)破壞原因，這是由于內(nèi)襯塑料構(gòu)件在水壓作用下，防水塑料板產(chǎn)生變形，四節(jié)點(diǎn)跨中位置變形較大，變形越大節(jié)點(diǎn)焊縫處受到的應(yīng)力越大，最后導(dǎo)致焊縫發(fā)生撕裂破壞。當(dāng)構(gòu)件上12號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞后，導(dǎo)致栓釘間距變大，防水塑料板在缺少一個(gè)節(jié)點(diǎn)的約束下產(chǎn)生更大的變形，最后塑料板發(fā)生剪切破壞。從試驗(yàn)結(jié)果可知，在栓釘間距為200 mm時(shí)，內(nèi)襯塑料構(gòu)件承壓能力取決于節(jié)點(diǎn)焊縫強(qiáng)度，通過提高節(jié)點(diǎn)處焊縫強(qiáng)度，可提高構(gòu)件的整體承壓能力。

圖11 PCS-1破壞示意圖

對試件PCS-2，當(dāng)水壓加載至80 kPa時(shí)，構(gòu)件內(nèi)部節(jié)點(diǎn)均未發(fā)生損壞，內(nèi)襯塑料構(gòu)件防水塑料板發(fā)生破裂，塑料板斷裂位置如圖12a所示。對試件PCS-2進(jìn)行切割處理，選取中心位置13號(hào)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行切割，該處位置焊縫和螺紋車絲處均未發(fā)生破壞（如圖12b所示），其余節(jié)點(diǎn)位置在試驗(yàn)過程中也未發(fā)生位移突變情況。由試驗(yàn)結(jié)果知，在栓釘間距為300 mm時(shí)，內(nèi)襯塑料構(gòu)件承壓取決于PP板厚度，通過增大板厚，可以提高構(gòu)件的整體水壓承載力。

圖12 PCS-2破壞示意圖

對試件PCS-3進(jìn)行水壓加載，由于栓釘間距較大，塑料板變形也較大，對應(yīng)的水壓承載力較小，因此壓力按照1 kPa逐級(jí)加載。當(dāng)壓力加載至38 kPa時(shí)，13號(hào)節(jié)點(diǎn)處發(fā)生破壞，該處位移突然增大，試件內(nèi)壓力瞬間降至18 kPa；接著進(jìn)行第二階段加壓，當(dāng)水壓力遞增加載至26 kPa時(shí)，14號(hào)節(jié)點(diǎn)破壞，試件內(nèi)壓力降至17 kPa；繼續(xù)對其加壓至26 kPa時(shí)，內(nèi)襯PP板破裂，試件破壞圖及塑料板斷裂位置如圖13a所示。對破壞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割發(fā)現(xiàn)，13號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)生焊縫破壞（如圖13b所示）；14號(hào)節(jié)點(diǎn)焊縫良好，螺紋連接處破壞如圖13c所示。

圖13 PCS-3破壞示意圖

當(dāng)?shù)谝弧⒌诙€(gè)節(jié)點(diǎn)相繼破壞后，栓釘間距加大，隨著壓力的增大，防水塑料板最終破裂。由試驗(yàn)結(jié)果知，在栓釘間距為400 mm時(shí)，內(nèi)襯塑料構(gòu)件承壓能力取決于節(jié)點(diǎn)的焊縫強(qiáng)度以及螺紋的咬合能力，因此增大節(jié)點(diǎn)焊縫和螺紋連接強(qiáng)度可以提高構(gòu)件的整體水壓承載力。

4.4 栓釘間距-水壓關(guān)系

通過水壓加載試驗(yàn)，不同栓釘間距的試件PCS-1、PCS-2、PCS-3能承受的最大水壓力分別是180、80、38 kPa，PCS-1和PCS-3均是節(jié)點(diǎn)處先發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是影響水壓承載力的關(guān)鍵。栓釘間距為200 mm時(shí)，水壓承載力為180 kPa；栓釘間距為300 mm時(shí)，水壓承載力為80 kPa，相比栓釘間距為200mm的構(gòu)件，其承載力降低了56%；栓釘間距為400 mm時(shí)，水壓承載力為38 kPa，相比栓釘間距為300 mm的構(gòu)件，其承載力降低了53%。栓釘間距不斷增大，水壓承載力不斷減小。

5 結(jié) 論

本文通過設(shè)計(jì)不同栓釘間距的塑料-混凝土試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行水壓加載試驗(yàn)，探究塑料-混凝土中內(nèi)襯塑料構(gòu)件的水壓承載力和受力情況，主要研究結(jié)論如下：

1）在水壓作用下，塑料板內(nèi)應(yīng)力和位移都隨水壓的增大而增大，節(jié)點(diǎn)位置承受較大拉力且應(yīng)力最大值分布不均，跨中位置承受應(yīng)力較小且最大值分布均勻；塑料板內(nèi)跨中位置的位移值隨水壓增大呈線性增加，節(jié)點(diǎn)位置的位移值變化較小。塑料板跨中處應(yīng)變隨位移的增大而增大。

2）在10 mm塑料板厚和給定連接節(jié)點(diǎn)條件下，塑料-混凝土防水體系水壓承載力隨著栓釘間距增大而減小。栓釘間距為200 mm時(shí)，水壓承載力為180 kPa；栓釘間距為300 mm時(shí)，水壓承載力為80 kPa，相比栓釘間距為200 mm的構(gòu)件，其承載力降低了56%；栓釘間距為400 mm時(shí)，水壓承載力為38 kPa，相比栓釘間距為300 mm的構(gòu)件，其承載力降低了53%。

3）塑料-混凝土防水體系達(dá)到水壓承載力時(shí)其破壞模式隨栓釘間距的變化而不同，在栓釘間距為200 mm時(shí)，發(fā)生節(jié)點(diǎn)焊縫強(qiáng)度破環(huán)，此類構(gòu)件可通過增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)處焊縫強(qiáng)度提高塑料構(gòu)件的整體水壓承載力；在栓釘間距為300 mm時(shí)，發(fā)生塑料板破環(huán)，此類構(gòu)件可通過增大板厚來提高構(gòu)件的整體水壓承載力；在栓釘間距為400 mm時(shí)，發(fā)生節(jié)點(diǎn)焊縫強(qiáng)度破環(huán)，此類構(gòu)件可增大節(jié)點(diǎn)焊縫強(qiáng)度來提高構(gòu)件的整體水壓承載力。

[1] 劉海燕，孟偉新，王振清，等. “二八灰土”回填地下糧倉浮力預(yù)警試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(11)：299-305.

Liu Haiyan, Meng Weixin, Wang Zhenqing, et al. Experimental study on the buoyancy of backfilled underground grain silos[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 299-305. (in Chinese with English abstract)

[2] 袁世民. 地下糧倉[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1979.

[3] 余漢華，王錄民，王振清，等. 我國地下糧倉的應(yīng)用現(xiàn)狀及前瞻[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，29(6)：79-81.

Yu Hanhua, Wang Lumin, Wang Zhenqing, et al. Application status and prospect of underground grain silos in China[J]. Journal of Henan university of Technology: Natural science edition, 2008, 29(6): 79-81. (in Chinese with English abstract)

[4] 王振清，揣君，王錄民，等. 裝配式地下糧倉鋼-混組合倉壁節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有限元分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(24)：298-306.

Wang Zhenqing, Chui Jun, Wang Lumin, et al. Finite element analysis of mechanical properties of steel-composite wall joints in prefabricated underground grain silos[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 298-306. (in Chinese with English abstract)

[5] 熊曉莉，金立兵，王振清. 鋼筋混凝土地下糧倉倉壁土壓力取值方法及倉壁結(jié)構(gòu)受力分析[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，24(1)：103-114.

Xiong Xiaoli, Jin Libing,Wang Zhenqing. Earth pressure and bearing capacity analysis on the wall of reinforced concrete underground granary[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2016, 24(1): 103-114. (in Chinese with English abstract)

[6] 王錄民，郭明利，丁永剛，等. 樁圍復(fù)合式地下倉結(jié)構(gòu)受力性能分析[J]. 特種結(jié)構(gòu)，2014，31(6)：21-24.

Wang Lumin, Guo Mingli, Ding Yonggang, et al. Analysis on the mechanical performance of composite underground granary structure surrounded by piles[J]. Special Structures, 2014, 31(6): 21-24. (in Chinese with English abstract)

[7] 陳桂香，崔晨星，付志永，等. 地下鋼筋混凝土糧食筒倉倉壁變形及內(nèi)力研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2019，15(2)：458-464.

Chen Guixiang,Cui Chenxing,Fu Zhiyong,et al. Research on deformation and internal force of reinforced concrete underground grain silo wall[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2019, 15(2): 458-464. (in Chinese with English abstract)

[8] 金立兵，梁新亞，霍承鼎，等. 地下混凝土筒倉倉壁力學(xué)性能工程試驗(yàn)與數(shù)值分析[J]. 土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)（中英文），2020，42(3)：40-45.

Jin Libing, Liang Xinya, Huo Chengding, et al. Engineering test and numerical analysis of mechanical properties of underground concrete silo walls[J]. Journal of Civil and Environmental Engineering (Chinese & English), 2020, 42(3): 40-45. (in Chinese with English abstract)

[9] 金立兵，劉斐驍，田棟杰. 地下鋼筋砼筒倉施工與閉水試驗(yàn)過程的抗浮試驗(yàn)研究[J]. 河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2017，38(2)：105-108，128.

Jin Libing, Liu Feixiao, Tian Dongjie. Anti-floating test in construction and closed-water test process of unerground reinforced concrete silos[J]. Journal of Henan University of Technology: Natural Science Edition, 2017, 38(2): 105-108,128. (in Chinese with English abstract)

[10] Pan Yanhui, Fang Hongyuan, Li Bin, et al. Stability analysis and full-scale test of a new recyclable supporting structure for underground ecological granaries[J]. Engineering Structures, 2019, 192: 205-219.

[11] 王海濤，李向前. 基于 Galerkin 法的地下糧倉圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱特性數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(12)：241-248.

Wang Haitao, Li Xiangqian. Numerical simulation of heat transfer characteristics of building envelopes of underground warehouse based on element-free Galerkin method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(12): 241-248. (in Chinese with English abstract)

[12] Zhang Haihong, Wang Zhongying, Liu Qiang, et al. Design and simulation research on mechanical ventilation system for small underground granary[J]. Advanced Materials Research, 2014, 2949: 2148-2151.

[13] Sirousazar M, Yari M, Achachlouei B F, et al. Polypropylene/montmorillonite Nanocomposites for Food Packaging[J]. e-Polymers, 2007, 7(1): 1-9.

[14] 中華人民共和國國家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì). 食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品接觸用塑料材料及制品：GB 4806.7-2016[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[15] 談維漢. 內(nèi)襯改性PVC鋼筋混凝土排水管生產(chǎn)工藝[J]. 混凝土與水泥制品，2008(4)：30-32.

Tan Weihan. Production process of PVC reinforced concrete drainage pipe with modified lining[J]. Concrete and Cement Products, 2008(4): 30-32. (in Chinese with English abstract)

[16] 柳獻(xiàn)，張宸，葉宇航，等. 深層盾構(gòu)排水隧道PVC防水防蝕內(nèi)襯力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 隧道建設(shè)，2016，36(12)：1428-1434.

Liu Xian, Zhang Chen, Ye Yuhang, et al. Experimental study on mechanical properties of PVC waterproof and anti-corrosion lining in deep shield drainage tunnel[J]. Tunnel Construction, 2016, 36(12): 1428-1434. (in Chinese with English abstract)

[17] Litvan G G. Waterproofing of parking garage structures with sealers and membranes: The Canadian experience[J]. Construction and Building Materials, 1996, 10(1): 95-100.

[18] Ahmet Celal Apay, Ercan ?zgan,Tahsin Turgay,et al. Investigation and modelling the effects of water proofing and water repellent admixtures dosage on the permeability and compressive strengths of concrete[J]. Construction and Building Materials, 2016, 113(15): 698-711.

[19] Dammyr ?, Nilsen B, Kurosch Thuro, et al. Possible concepts for waterproofing of norwegian TBM railway tunnels[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014, 47(3): 985-1002.

[20] Marques J A, Lopes J G, Correia J R. Durability of the adhesion between bituminous coatings and self-protection mineral granules of waterproofing membranes[J]. Construction and Building Materials, 2010, 25(1): 138-144.

[21] Johnson R P, Swallow S P, Psomas S. Structural properties and durability of a sprayed waterproofing membrane for tunnels[J]. Tunnelling & Underground Space Technology, 2016, 60: 41-48.

[22] 張昊，陶元慶，王振清，等. 地下糧倉內(nèi)襯膠粘防水PVC水晶板接縫試驗(yàn)研究[J]. 新型建筑材料，2019，46(1)：134-137.

Zhang Hao, Tao Yuanqing, Wang Zhenqing, et al. Experimental research on adhesive joint of waterproof PVC crystal plates lining in underground granary[J]. New Building Materials, 2019, 46(1): 134-137. (in Chinese with English abstract)

[23] 張淑媛. 塑料—混凝土地下糧倉中塑料連接件的抗拔試驗(yàn)研究[D]. 鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2017.

Zhang Shuyuan. Tensile Test of Plastic Joints in Plastic-concrete Underground Grain Silo[D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2017. (in Chinese with English abstract)

[24] 常哲，王振清. 聚丙烯棒在混凝土中的黏結(jié)性能試驗(yàn)研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20(22)：9170-9175.

Chang Zhe, Wang Zhenqing. Experimental study on bonding property of polypropylene bar in concrete[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(22): 9170-9175. (in Chinese with English abstract)

[25] 常晨輝. 塑料—混凝土地下糧倉中聚丙烯構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究[D]. 鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2017.

Chang Chenhui. Experimental Study on Connection Nodes of Polypropylene Components in Plastic-concrete Underground Grain Silo[D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2017. (in Chinese with English abstract)

[26] 席達(dá)，王振清，張慶章，等. 地下糧倉中聚丙烯防水塑料板焊縫抗水壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 新型建筑材料，2018，45(7)：102-104.

Xi Da, Wang Zhenqing, Zhang Qingzhang, et al. Experimental study on the compressive strength of polypropylene waterproof plastic sheet in underground granary[J]. New Building Materials, 2018, 45(7): 102-104. (in Chinese with English abstract)

[27] 丁明，王振清，張昊，等. 硅酮結(jié)構(gòu)膠用于地下糧倉中聚丙烯塑料防水板與混凝土粘接試驗(yàn)的研究[J]. 新型建筑材料，2018，45(5)：140-141，145.

Ding Ming, Wang Zhenqing, Zhang Hao, et al. Experimental study of silicone structural adhesive used for bonding of waterproof polypropylene plastic board to concrete in underground granary[J]. New Building Materials, 2018, 45(5): 140-141, 145. (in Chinese with English abstract)

[28] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 普通螺紋直徑與螺距系列：GB/T 193-2003[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[29] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 塑料拉伸性能的測定：GB/T 1040.1-2006[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[30] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50152-2012[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

Experiment on water pressure resistance of plastic-concrete waterproof system of underground granary

Zhang Hao, Meng Qingting, Tao Yuanqing, Wang Zhenqing, Kang Shaopeng, Zhang Xiangxiang

(450001,)

The underground granary has the advantages of energy conservation, land saving, low temperature, and environment protection. However, resistance of water and moisture from the groundwater has been main concerns for storing grains in underground granary. A plastic-concrete waterproof system using the polypropylene plastic (PP) as the waterproof layer was proposed. In this system, the plastic plate and concrete components were connected with plastic studs. Three plastic-concrete testing models were designed and fabricated based on the different stud spaces for the underground granary. In order to analyze the failure mode, failure mechanism, internal force and deformation of the plastic members under the water pressure, hydraulic loading tests were carried out.The test results showed that: the internal stress and displacement of the plastic plate increased with the increase of water pressure; the larger tensile force appeared at the joint area with the maximum stress unevenly distributed; the stress at mid-span was small with the maximum stress uniformly distributed. The displacement at the mid-span of the plastic plate increased linearly with increase of water pressure, whereas the displacement displacement at the joint changed slightly. On the basis of experimental analysis, the optimal design measures were proposed for the plastic-concrete waterproof system with plastic plate of 10 mm and given connection joints. When the water pressure reached its bearing capacity the failure modes of the plastic-concrete waterproof system were changed with change stud spacing. For the stud space of 200 mm, the joint weld seam was damaged at the water pressure of 180 kPa, which indicated that the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be improved by enhancing the weld strength at the joint. For the stud space of 300 mm, the plastic plate was damaged with the water pressure capacity of 80 kPa, which indicated that the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be enhanced by increasing the plate thickness. For the stud space of 400 mm, the joint weld seam was destroyed when the water pressure reached 38 kPa, the overall water pressure bearing capacity of the testing model could be enhanced by increasing the strength of the joint weld seam. The research results can provide a reference for waterproof design of the underground granary.

mechanical properties; joint; underground granary; polypropylene plastic; hydraulic loading test; water pressure bearing capacity

張昊，孟慶婷，陶元慶，等. 地下糧倉塑料-混凝土防水體系抗水壓試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(21)：292-299. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.035 http://www.tcsae.org

Zhang Hao, Meng Qingting, Tao Yuanqing, et al. Experiment on water pressure resistance of plastic-concrete waterproof system of underground granary[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 292-299. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.035 http://www.tcsae.org

2020-07-03

2020-10-30

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（202102110122）；省屬高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2016QNJH23）；河南工業(yè)大學(xué)高層次人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2018BS077）

張昊，副教授，主要研究方向?yàn)閮?chǔ)倉結(jié)構(gòu)和綠色儲(chǔ)糧體系。Email：zzbright@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.035

TU57

A

1002-6819(2020)-21-0292-08