繩鋸牽拉破碎混凝土排水渠方案比選

徐安東 呂謙和 史偉華 萬迎新 張騫

摘要：根據(jù)已運(yùn)營鐵路隧道中C40素混凝土排水渠的加深工況要求，選用繩鋸牽拉方法進(jìn)行破碎加深。運(yùn)用ABAQUS對(duì)不同鉆孔方案進(jìn)行有限元分析、比選。研究結(jié)果表明，當(dāng)鉆孔間距與鉆孔深度不變，在300 mm×300 mm的破碎斷面內(nèi)鉆孔數(shù)目為3個(gè)且呈正三角形分布時(shí)，破碎效果最好，滿足繩鋸破碎加深混凝土排水渠的工作需要。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道排水渠;繩鋸破碎;有限元分析

中圖分類號(hào)：TU746.3;U25??????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

部分既有運(yùn)營鐵路隧道排水渠在排水量需求較大的情況下，難以滿足要求，導(dǎo)致水溢出淹沒軌道，影響行車安全，亟需提高其排水能力。但是受制于隧道斷面尺寸，無法橫向加寬排水渠，通常采用豎向加深的方法提高排水能力，同時(shí)隧道內(nèi)不便引入大型設(shè)備作業(yè)，而且人工手持沖擊鉆加深效率太低。因此，可以采用鋼絲繩鋸牽拉方式進(jìn)行破碎加深。為了在有限的天窗點(diǎn)內(nèi)提高工作效率，亟需研究最優(yōu)破碎方案。目前在混凝土破碎方法的研究中，以爆破方式進(jìn)行混凝土破碎是最常用的方法。但隧道爆破容易引起建筑結(jié)構(gòu)損傷，且排水渠破碎體積較小不利于控制爆破范圍[1]。在特定工況下的混凝土通常采用機(jī)械破碎、靜態(tài)破碎或者兩者相互結(jié)合的方法[2]。Qi等[3]對(duì)利用柱塞泵實(shí)現(xiàn)了高壓水流對(duì)混凝土的無塵破碎;潘國華等[4]對(duì)建筑素混凝土采用金剛石繩鋸切割的方法進(jìn)行破碎，并配合合理的吊裝措施縮短了工期;而混凝土破碎的實(shí)質(zhì)是骨料、砂漿以及兩者交界層面等細(xì)觀層次組構(gòu)的變化，在混凝土受力而產(chǎn)生形變特征的尺度劃分過程中，Van[5]采用宏觀、細(xì)觀和微觀三個(gè)尺度相結(jié)合的方法，充分解釋了混凝土的宏觀形變與破壞機(jī)理;在宏觀層面上混凝土塑性損傷是以連續(xù)體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，Arson等[6-7]以此為基礎(chǔ)建立了混凝土的形變函數(shù)關(guān)系;Tai等[8]運(yùn)用混凝土本構(gòu)關(guān)系模擬了混凝土在不同應(yīng)變下的應(yīng)力狀態(tài);Pandermarakis等[9]通過對(duì)傳統(tǒng)拉伸試驗(yàn)參數(shù)的適當(dāng)修改，提出了一種檢測混凝土斷裂與裂縫擴(kuò)展的方法;李祚華等[10]通過材料的塑性Helmholtz自由能與彈性Helmholtz自由能之間的關(guān)系，確立了損傷能量釋放率與損傷變量的關(guān)系，給出了單軸受壓混凝土的塑性變形關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式;Ding等[11]闡述了混凝土的破壞機(jī)理，指出泊松比是確定混凝土破壞的關(guān)鍵;方秦等[12]評(píng)估了ABAQUS損傷塑性模型的分析能力，可較為精確地模擬出混凝土材料的力學(xué)性能及材料破壞的包絡(luò)線;張勁[13]引入損傷因子的概念，證明了本構(gòu)關(guān)系參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)分析的可靠性;楊仁樹等[14-15]采用靜態(tài)破碎法，通過灌入破碎劑，產(chǎn)生環(huán)向膨脹壓力，使混凝土產(chǎn)生明顯的裂縫擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)破碎;唐烈先等[16]通過靜態(tài)破碎試驗(yàn)，得到了混凝土靜態(tài)破碎施工中合理的鉆孔布局，進(jìn)而得到最優(yōu)破碎方案。以往研究側(cè)重基于破碎劑膨脹原理的混凝土靜態(tài)破碎法，通過對(duì)鉆孔裂縫擴(kuò)展的研究，獲得工程施工中合理的鉆孔布局。本文主要針對(duì)既有運(yùn)營鐵路隧道內(nèi)的素混凝土排水渠，在卷揚(yáng)機(jī)作用下，通過繩鋸拉拽素混凝土進(jìn)行機(jī)械破碎。與以往的靜態(tài)破碎相比，繩鋸機(jī)械破碎具有低污染低功耗的特點(diǎn)，且更適用于隧道內(nèi)排水渠破碎加深的特殊工況，既節(jié)省作業(yè)空間，又提高作業(yè)效率。本文利用仿真技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)的多種鉆孔方案進(jìn)行分析，比選出最優(yōu)的鉆孔方案。

1 繩鋸牽拉破碎混凝土排水渠方案

某鐵路隧道內(nèi)排水渠如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)素混凝土排水渠的加深，沿已有排水渠側(cè)面向下再延伸300 mm。已知混凝土排水渠的寬度為300 mm，破碎斷面為300 mm×300 mm。

本文繩鋸破碎混凝土排水渠，主要通過卷揚(yáng)機(jī)牽拉實(shí)現(xiàn)破碎。牽拉開始前，需先在排水渠中鉆孔，并將鋼絲繩穿過鉆孔，鋼絲繩與卷揚(yáng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連接，卷揚(yáng)機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸牽引鋼絲繩，使鋼絲繩和混凝土之間產(chǎn)生擠壓和拉拽。當(dāng)牽引力達(dá)到一定程度時(shí)，混凝土擠壓應(yīng)力高于混凝土抗拉強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)混凝土的破碎。本文設(shè)計(jì)了5種鉆孔布局方案，分別為正三角形鉆孔排列、倒正三角形鉆孔排列、兩孔鉆孔排列、正方形鉆孔排列、菱形鉆孔排列，均位于破碎體中部，如圖2所示。

為提高繩鋸破壞效率，繩鋸從混凝土排水渠內(nèi)上表面鉆孔穿過，從圖2所示的孔內(nèi)穿出。以圖2斷面為基準(zhǔn)向內(nèi)鉆孔確定鉆孔的縱向深度，以排水渠內(nèi)上表面為基準(zhǔn)向下鉆孔且與最下方鉆孔縱向深度交匯的深度確定鉆孔的豎向深度?？v向鉆孔深度，豎向鉆孔深度，以及鉆孔間距等因素都會(huì)影響混凝土排水渠破碎效果，因此需要對(duì)上述變量進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，從而對(duì)鉆孔方案進(jìn)行比選。

2 繩鋸牽拉破碎混凝土排水渠建模

2.1 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

以某鐵路隧道內(nèi)的混凝土排水渠為研究對(duì)象，混凝土排水渠高度為2 m（含基礎(chǔ)部分），寬度為1.5 m，長度為5 m，其內(nèi)部位于中軸線位置的排水渠深度為500 mm，寬度為300 mm，鉆孔直徑為20 mm，其模型如圖2所示。實(shí)際工程所配備的鋼絲繩直徑為15 mm。根據(jù)繩鋸破碎混凝土排水渠鉆孔方案，在相同縱向鉆孔深度、孔間距且均位于中心位置的前提下進(jìn)行建模分析，其相應(yīng)參數(shù)見表1。

2.2 定義材料屬性

排水渠選用C40 混凝土，塑性參數(shù)見表2，其中雙軸極限抗壓強(qiáng)度與單軸極限抗壓強(qiáng)度之比為fb/fc，拉伸子午面上和壓縮子午面上的第二不變應(yīng)力不變量之比為K。

對(duì)混凝土建立單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和單軸受拉應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]，得到C40混凝土彈性變形階段的彈性模量E0為18 000 MPa，質(zhì)量密度為2.4×10-9 kg/m3，泊松比為0.28。C40混凝土的受壓、受拉損傷因子分別為Dc、D[18]t

Dc=1-nfc，rE0εc，r（n-1+xn）x≤1

1-fc，r[ac（x-1）2+x]E0εc，rx>1 （1）

Dt=1-1.2-0.2x5?? x≤11-1at（x-1）1.7+x?? x>1 （2）

其中，αc為混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值;fc，r 為混凝土單軸抗壓強(qiáng)度代表值;εc，r 為與單軸抗壓強(qiáng)度fc，r相應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變;αt為混凝土單軸受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值;通過規(guī)范中的數(shù)據(jù)代入上式計(jì)算可得到C40混凝土的本構(gòu)關(guān)系，見表3。

對(duì)混凝土排水渠底面和兩外側(cè)壁固結(jié)約束，鋼絲繩和混凝土鉆孔之間采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)0.5。在鋼絲端部施加牽拉載荷，載荷位置如圖3中箭頭所示。假設(shè)該鋼絲繩沿延伸方向不可壓縮，鋼絲繩與混凝土均采用8節(jié)點(diǎn)等參減縮積分單元（C3D8R）。

3 破碎方案比選

為了比選最優(yōu)鉆孔方案，以C40混凝土軸心抗拉強(qiáng)度2.4 MPa為限定條件[19]，在恒定牽引力下，應(yīng)力越大，則鉆孔方案越好。通過試算，選擇在每根鋼絲繩端部施加恒定牽引力1 500 N，此載荷作用下，不同鉆孔方案的應(yīng)力會(huì)低于或高于抗拉強(qiáng)度2.4 MPa，對(duì)比效果更加直觀，5種鉆孔方案的排水渠應(yīng)力及變形結(jié)果如表4所示。

由表4可知，菱形鉆孔方案所受應(yīng)力值最大且大于C40抗拉強(qiáng)度，但變形量相對(duì)偏小;正三角形鉆孔方案所受應(yīng)力值大于C40抗拉強(qiáng)度，且變形量最大;其它鉆孔方案的應(yīng)力均小于菱形鉆孔方案，變形量均小于正三角形鉆孔。各方案應(yīng)力如圖4～圖7所示，且由于繩鋸牽拉區(qū)域相對(duì)較小，為了突出顯示比對(duì)結(jié)果，僅對(duì)前端1 m進(jìn)行展示。

菱形鉆孔方案與正三角形鉆孔方案之間存在應(yīng)力、應(yīng)變差異，需對(duì)正三角形鉆孔方案與菱形鉆孔方案進(jìn)行對(duì)比分析。由圖7可知菱形鉆孔所受應(yīng)力值最大，但鉆孔與繩鋸接觸位置處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中。當(dāng)除去應(yīng)力集中單元時(shí)，菱形鉆孔的應(yīng)力最大值為2.184 MPa（小于C40抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值），無法破碎混凝土，如圖8、圖9所示。對(duì)比分析兩種方案可知，菱形方案破碎主體受力并不均勻，不利于結(jié)構(gòu)的整體破碎，而正三角形方案破碎主體受力均勻，單元之間力傳遞由內(nèi)向外逐漸遞減，有利于結(jié)構(gòu)整體逐級(jí)破碎，且最大應(yīng)力值大于菱形的應(yīng)力值（除掉應(yīng)力集中單元）。

由于應(yīng)力分布會(huì)影響破碎效果，對(duì)破碎單元應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度的單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中破碎單元應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的單元與破碎區(qū)域體積比如圖10所示?？芍切毋@孔方案中破碎單元應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的單元占比為72%，表明受力均勻，有利于實(shí)現(xiàn)在同等作用力下的整體破碎。而其它鉆孔方案破碎單元應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度的單元占比小于前者，破碎效果相對(duì)較差。綜上，應(yīng)力值大、分布均勻且變形最大的正三角形鉆孔方案為最優(yōu)鉆孔方案。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS對(duì)比分析5種鉆孔方案下的繩鋸破碎加深效果，其中鉆孔數(shù)為3孔，且呈正三角形分布的鉆孔方案破碎效果最好。對(duì)比其它鉆孔方案，正三角形鉆孔方案受力傳遞均勻，有利于實(shí)現(xiàn)整體逐級(jí)破碎，滿足工程破碎高效率要求，可為實(shí)現(xiàn)狹小空間中混凝土破碎提供依據(jù)。在最優(yōu)的鉆孔方案下，若混凝土排水渠鉆孔的深度與孔間距發(fā)生改變，破碎的體積也會(huì)發(fā)生改變。今后研究將通過確定最優(yōu)鉆孔位置進(jìn)一步提升破碎效率。

參考文獻(xiàn)

[1]管曉明， 聶慶科， 李華偉， 等. 隧道爆破振動(dòng)下既有建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及損傷研究綜述[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2019， 52（S1）： 151-158.

[2]李書文， 王浩， 何顯文， 等. 堅(jiān)硬巖基礎(chǔ)定位爆破與液壓脹裂聯(lián)合開挖施工技術(shù)[J].施工技術(shù)， 2020， 49（S1）：174-176.

[3]QI Y M， WANG Z M， DENG S P， et al. Research on concrete hydraulic crushing based on five-plunger pump[J]. Materials Advanced Research， 2013， 2534：257-260.

[4]潘國華， 夏建俊， 尹鎮(zhèn)鋼. 繩鋸切割施工技術(shù)在鋼筋混凝土支撐拆除中的應(yīng)用[J]. 浙江建筑， 2016， 33（7）： 39-41.

[5]VAN MIER J G M. Concrete fracture： A multiscale approach[M]. Boca Raton： CRC Press， 2012.

[6]ARSON C. Generalized stress variables in continuum damage mechanics[J]. Mechanics Research Communications， 2014，60： 81-84.

[7]HU H T， HUANG C S， WU M H， et al. Nonlinear analysis of axially loaded concrete-filled tube columns with confinement effect[J]. Journal of Structural Engineering， 2003， 129（10）：1322-1329.

[8]TAI Y S， TANG C C. Numerical simulation： The dynamic behavior of reinforced concrete plates under normal impact[J].Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2006， 45（2）： 117-127.

[9]PANDERMARAKIS Z G， SOTIROPOULOU A B. The identification of a hidden long-term plastic damage stage during splitting tensile loading of concrete： A fracture mechanics approach[J].Strain， 2010， 46（6）： 538-549.

[10] 李祚華， 李安， 滕軍. 基于能量的混凝土單軸受壓塑性損傷本構(gòu)模型[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 2012，45（S2）： 182-186.

[11] DING F X， YU Z W. Strength criterion for plain concrete under multiaxial stress based on damage poisson's ratio[J]. Acta Mechanica Solida Sinica， 2006， 19（4）：307-315.

[12] 方秦， 還毅， 張亞棟， 等. ABAQUS混凝土損傷塑性模型的靜力性能分析[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2007， 8（3）：254-260.

[13] 張勁， 王慶揚(yáng)， 胡守營. ABAQUS混凝土損傷塑性模型參數(shù)驗(yàn)證[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2008， 38（8）： 127-130.

[14] 楊仁樹， 孫中輝， 佟強(qiáng)， 等. 靜態(tài)破碎劑膨脹作用下試件裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究[J].工程爆破， 2010， 16（3）：7-11.

[15] SHANG J， ZHAO Z， ALIYU M M. Stresses induced by a demolition agent in non-explosive rock fracturing[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2018， 107： 172-180.

[16] 唐烈先， 唐春安， 唐世斌. 混凝土靜態(tài)破碎的物理試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)[J].混凝土， 2005（8）：3-5+15.

[17] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010-2010[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[18] 姚方寶， 關(guān)群， 王浦東.基于ABAQUS塑性損傷模型損傷因子的仿真分析[J].結(jié)構(gòu)工程師， 2019， 35（05）： 76-81.

[19] 中華人民共和國交通運(yùn)輸部，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D62-2018[S]. 北京：人民交通出版社，2018.

Comparison and Selection of the Project of Wire Saw

Pulling Broken Concrete Drainage Channel

XU An-dong1， L Qian-he2， SHI Wei-hua1， WAN Ying-xin1， ZHANG Qian1，3

（1. Mechanical and Electrical Engineering College， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Shandong High-speed Qingdao Development Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China;

3. National Engineering Laboratory for High-speed Train System Integration，

CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China）

Abstract：

According to the deeping working condition requirement of C40 plain concrete drainage canal in the operated railway tunnel， the wire saw pulling method was selected to break and deepen. ABAQUS software was used for finite element analysis of different borehole plans， and then the optimal plan was selected by comparing. The result show that when borehole spacing and borehole depth are constant， the number of boreholes is 3 inside the breaking section of 300 mm×300 mm and they are in positive triangular distribution， the breaking effect is the best. It can meet the work needs of the wire saw breaking and deepening the concrete drainage channel.

Keywords：

concrete drainage channel in railway tunnels; wire saw breaking; finite element analysis

收稿日期：2021-06-16

基金項(xiàng)目：

山東省自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：ZR2019PEE011） 資助。

通信作者：

張騫，男，博士，副教授，從事軌道動(dòng)力學(xué)研究;E-mail：figozq100@sina.com

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