垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

曹鐘元

摘要：推廣高強(qiáng)鋼筋在工程建設(shè)中的應(yīng)用，能夠有效提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、靈活性和適用性，符合國家節(jié)能減排的基本國策，有助于實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)，但我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)500MPa級(jí)以上鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用尚未做出規(guī)定，這使得其在使用時(shí)缺乏設(shè)計(jì)、施工依據(jù)，極大地阻礙了高強(qiáng)鋼筋在工程建設(shè)中的推廣?；诖?，本文以某輸油管道工程高壓、大口徑錨固法蘭設(shè)計(jì)為例，通過有限元對(duì)比分析對(duì)錨固法蘭結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：垃圾填埋場;襯墊層;錨固結(jié)構(gòu);模型試驗(yàn);錨固能力

引言

錨固法蘭是大口徑、高內(nèi)壓、遠(yuǎn)程輸氣（油）管道系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵部件，焊裝于輸氣（油）主管道上，并用水泥墩固定，半埋或全埋于地下，多設(shè)置在管道的入土端和出口端，用以防止由自重、內(nèi)壓、溫差、管道走向與方位變化等綜合作用力引起的管線過量位移，起到固定管道、約束管道軸向位移、保護(hù)站內(nèi)地面管道和設(shè)備等作用。

1垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)的垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要構(gòu)件包括基錨固塊、輔錨固塊、栓桿、限位樁等，均由鋼筋混凝土材料預(yù)制而成。限位樁通過預(yù)留限位樁孔插入至垃圾填埋場邊坡坡頂或中間平臺(tái)下部地基中?；^固塊和輔錨固塊均設(shè)有榫頭、卯槽和半圓形凹槽，榫頭、卯槽和半圓形凹槽的半徑考慮襯墊層厚度并與之相匹配。由土工膜和設(shè)置在土工膜兩側(cè)的土工布構(gòu)成的垃圾填埋場襯墊層從基錨固塊和輔錨固塊間穿過，通過栓桿將基錨固塊和輔錨固塊固定，使兩者通過擠壓作用夾緊襯墊層。最終，襯墊層通過基錨固塊和輔錨固塊的自重以及限位樁的限位作用被固定在填埋場邊坡地基上，限位樁預(yù)制長度考慮實(shí)際工程地基土質(zhì)條件，根據(jù)單樁水平承載力計(jì)算確定。設(shè)計(jì)的填埋場襯墊層榫卯式錨固結(jié)構(gòu)可采用工廠化預(yù)制，現(xiàn)場裝配式施工。部件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制作可替代傳統(tǒng)混凝土灌注固定方法，提高工作效率、縮短工期，從而解決工期長、維修加固困難等問題，在固定襯墊層的同時(shí)，可保持襯墊層的完整性，避免引起滲漏。

2試件設(shè)計(jì)

為了獲取鋼筋沿錨固區(qū)段的應(yīng)力、應(yīng)變分布情況，制作梁式試件前，先將用于試驗(yàn)的鋼筋沿長度方向剖為兩半，并在鋼筋內(nèi)部加工凹槽，鋼筋內(nèi)部凹槽截面尺寸為4mm（寬）×2mm（高）。根據(jù)錨固長度（5d、7d、10d）分別在鋼筋凹槽內(nèi)部交叉布置（5個(gè)、7個(gè)、10個(gè)）應(yīng)變片，最后采用環(huán)氧樹脂膠灌滿凹槽將鋼筋合攏粘結(jié)，并在非錨固區(qū)段點(diǎn)焊加強(qiáng)。梁式試件參考制作，試件尺寸為150mm（寬）×240mm（高）×1260mm（長），混凝土梁內(nèi)未粘結(jié)鋼筋通過PVC套筒隔離。以混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑和錨固長度為參數(shù)。

3榫卯式錨固結(jié)構(gòu)加載試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)裝置與加載制度

采用具有自主研發(fā)的載裝置，可實(shí)現(xiàn)多筋植筋的拉拔試驗(yàn)，采用500kN液壓千斤頂和500kN荷載傳感器加載。加載制度如下所述。（1）預(yù)加載：為了保證多筋植筋的每根植筋的受力均勻，在正式開始試驗(yàn)前，施加預(yù)估峰值荷載2%的荷載，利用每根植筋上粘貼的應(yīng)變片，判斷植筋是否均勻受力。若每根植筋的應(yīng)變相同或相近，可以認(rèn)為植筋均勻受力，否則應(yīng)通過植筋上的預(yù)應(yīng)力螺母進(jìn)行調(diào)整，直至滿足要求為止。（2）正式加載：峰值荷載前采用荷載控制加載，荷載增量ΔP約為預(yù)估峰值荷載的2%;峰值荷載后改為位移控制加載，通過控制液壓千斤頂?shù)募虞d桿數(shù)，基本保證每次加載位移相同，直至拉拔試驗(yàn)結(jié)束。

3.2試驗(yàn)加載過程

錨固塊對(duì)襯墊層的壓力及摩擦力是決定錨固作用能否達(dá)到的關(guān)鍵，所以，試驗(yàn)過程中重點(diǎn)關(guān)注襯墊層承受的拉力和被拉出的程度。試驗(yàn)步驟如下：（1）調(diào)整拉力機(jī)拉桿伸出距離，以拉緊襯墊層，采集系統(tǒng)位移試驗(yàn)力清零，在襯墊層試樣上標(biāo)記控制點(diǎn)，作為襯墊層拔出長度的測點(diǎn);（2）開啟電動(dòng)伺服缸開始加載，以5mm/min的速度拖拽襯墊層施加拉力，采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄拉力與拖拽距離數(shù)據(jù);（3）試驗(yàn)過程中，觀察錨固結(jié)構(gòu)位置變化情況，記錄主要標(biāo)志點(diǎn)變位值;（4）考慮到加載設(shè)備安全，當(dāng)拉力達(dá)到峰值或5kN時(shí)停止加載，測量襯墊層從錨固結(jié)構(gòu)內(nèi)的拔出量。

3.3測試內(nèi)容和測量方法

拉拔荷載值：采用500kN液壓千斤頂及配套的載荷儀（WH-1000型）測讀，在試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)液壓千斤頂和載荷儀配套標(biāo)定;（2）植筋鋼筋應(yīng)變：在每根植筋鋼筋上均黏貼應(yīng)變片，用作試件對(duì)中及測量拉拔加載過程中植筋應(yīng)變的變化規(guī)律;（3）混凝土基體表面位移：在植筋兩側(cè)對(duì)稱布置兩個(gè)位移計(jì)①測讀混凝土基體表面位移;（4）植筋的位移：在植筋上固定制作的表架，對(duì)稱布置兩個(gè)位移計(jì)②測讀植筋的位移;（5）植筋端部的位移：在每個(gè)植筋的端部布置1個(gè)位移計(jì)③，測讀植筋端部位移;（6）加載板頂部的位移：在加載板的頂部對(duì)稱布置兩個(gè)位移計(jì)④，測讀加載板的位移。所有應(yīng)變片及位移計(jì)均通過DN3821型號(hào)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集儀采集。

4試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1粘結(jié)-滑移特性

T63高強(qiáng)鋼筋與HRB400鋼筋表現(xiàn)出較為一致的粘結(jié)滑移特性，兩類鋼筋的粘結(jié)-滑移曲線變化規(guī)律基本一致，隨著荷載增加依次經(jīng)歷了彈性段、滑移段、內(nèi)裂段、下降段及穩(wěn)定段。彈性階段，鋼筋與混凝土間未產(chǎn)生明顯相對(duì)滑移，粘結(jié)力主要由兩者間的膠結(jié)力提供，曲線斜率接近無窮大;滑移段，鋼筋產(chǎn)生滑動(dòng)，橫肋間混凝土受到擠壓產(chǎn)生變形，粘結(jié)力主要由機(jī)械咬合力和摩擦力提供，曲線斜率基本穩(wěn)定;內(nèi)裂段，鋼筋橫肋間混凝土壓潰，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生沿橫肋方向的徑向裂縫，鋼筋滑移量增大，曲線斜率下降，直至達(dá)到峰值荷載;下降段，峰值荷載后，混凝土內(nèi)部徑向裂縫逐漸延伸至表面，粘結(jié)應(yīng)力迅速降低;穩(wěn)定段，粘結(jié)應(yīng)力下降至峰值應(yīng)力60%左右時(shí)，應(yīng)力基本保持穩(wěn)定，滑移量持續(xù)增長，此時(shí)試件已完全破壞，粘結(jié)力僅由鋼筋與混凝土間的摩擦力提供。

4.2錨固力出現(xiàn)震蕩階段（1300N以上）

此階段襯墊層與基錨固塊、輔錨固塊與栓桿間出現(xiàn)微小滑移，基錨固塊下部混凝土出現(xiàn)裂縫，基錨固塊與輔錨固塊間距離局部增大，錨固力出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象并最終達(dá)到峰值。考慮錨固結(jié)構(gòu)模型厚度，試驗(yàn)中錨固結(jié)構(gòu)平穩(wěn)受力階段所能達(dá)到的錨固力（約6.5kN/m）已超過一般工程所需的大小（0.8～3.0kN/m），此時(shí)土工膜應(yīng)力為4.3MPa，遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度，說明項(xiàng)目設(shè)計(jì)的榫卯式錨固結(jié)構(gòu)具有足夠的錨固能力，能夠滿足工程需要，設(shè)計(jì)所考慮的固定機(jī)理充分發(fā)揮了作用。

結(jié)束語

綜上所述，無墊片法蘭計(jì)算模型對(duì)錨固法蘭結(jié)構(gòu)尺寸的初步尺寸確定是合理的，ANSYS數(shù)值模擬分析確定了錨固法蘭的頸部為應(yīng)力集中部位。采用法蘭頸部兩級(jí)平滑過渡的方法，可以有效地消除應(yīng)力集中。

參考文獻(xiàn)

張鵬，王建華，陳錦劍.圾填埋場邊坡上土工膜的拉力與位移分析[J].巖土力學(xué)，2019（5）：789-792.

常遠(yuǎn)，李明飛，方瑞東，等.衛(wèi)生填埋場襯墊層覆土式錨固槽錨固能力研究[J].重慶建筑，2019（10）：42-44.

孫洪軍，趙麗紅，魏巍.城市垃圾填埋場中土工膜錨固設(shè)計(jì)的研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019（6）：368-370.

張文華，許四法，馬成暢.垃圾場止水材料固定方法的實(shí)驗(yàn)研究[J].新型建筑材料，2019（7）：41-43.

[5]張鵬程.中國古代木構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)及其抗震發(fā)展研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2019.