復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)原位試驗與數(shù)值分析

張 宇

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣州 510610)

1 概 述

隨著社會用水需求的增大，輸水隧洞的內(nèi)壓增大。其中，單層襯砌結(jié)構(gòu)承載能力及耐久性有限，無法承受輸水隧洞的內(nèi)水壓力[1]。因此，工程中常采用雙層襯砌結(jié)構(gòu)，以保證隧洞的安全性及耐久性[2]。

雙層襯砌結(jié)構(gòu)存在兩層結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)受力及變形情況難以分析。雙層復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)采取先后兩次支護，其中各構(gòu)件聯(lián)合承擔(dān)相關(guān)應(yīng)力，有利于提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力傳遞機理、變形情況尚不明確，已成為國內(nèi)外研究的熱點問題。孫明社等[3]以復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)為研究對象，分析評價其圍巖和支護應(yīng)力。粟威[4]以高速鐵路隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)為研究對象，提高收斂約束法分析其結(jié)構(gòu)可靠性。陳建勛[5]等選取3種復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進行有限元分析，分析其襯砌內(nèi)力、安全系數(shù)及洞周位移。金星亮[6]等通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗，評估襯砌結(jié)構(gòu)的安全度，并分析其受力機理。

上述研究較少涉及對雙層襯砌結(jié)構(gòu)承載性能研究，且多數(shù)研究以數(shù)值模擬為主，缺少實際工程的應(yīng)用數(shù)據(jù)。本文以某地區(qū)水資源配置工程為研究對象，采取新型內(nèi)壓加載體系，利用原位試驗及數(shù)值模擬結(jié)合的方法，分析其裂縫寬度、接縫張開量及螺栓應(yīng)力隨內(nèi)水壓力變化趨勢。

2 原位試驗

本研究以某地區(qū)水資源配置工程為結(jié)構(gòu)選型，該工程主要位于全風(fēng)化片麻巖內(nèi)，全風(fēng)化巖以砂質(zhì)黏土、砂土為主。該工程全長113 km，最高設(shè)計內(nèi)水壓力為1.55 MPa。內(nèi)水壓力較大、盾構(gòu)施工較長導(dǎo)致其襯砌選型設(shè)計困難，故利用原位試驗為該工程設(shè)計施工提供相關(guān)依據(jù)。分別設(shè)至單層襯砌(區(qū)間1)、雙層復(fù)合式襯砌(區(qū)間2)、三層鋼內(nèi)襯分離式(區(qū)間3)和疊合式襯砌結(jié)構(gòu)(區(qū)間4)為試驗區(qū)間，見圖1。設(shè)置結(jié)構(gòu)區(qū)間、組區(qū)間間距分別為15、3 m。本研究主要以區(qū)間2為研究對象，分析其聯(lián)合承載和結(jié)構(gòu)失效工程，探討其變形規(guī)律。

2.1 襯砌結(jié)構(gòu)型式

復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)見圖2。B1-B3為標(biāo)準(zhǔn)塊，L1-L2為領(lǐng)接塊，F(xiàn)為封頂塊。內(nèi)襯采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土，其厚度為600 mm，環(huán)向受力筋為HRB400，其間僅傳遞壓力，不涉及拉力和剪力。外襯采用C55混凝土，環(huán)向受力鋼筋為HRB400。受洞內(nèi)空間影響，本研究針對其內(nèi)水壓力模擬方法、監(jiān)測儀器布設(shè)方式進行探討?；谝陨涎芯浚治鲈摻Y(jié)構(gòu)的聯(lián)合承載性能。

圖1 原位試驗縱剖面

圖2 復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

2.2 加載系統(tǒng)

本研究采用16路精準(zhǔn)加壓伺服系統(tǒng)控制洞內(nèi)水壓力，見圖3。通過充水特制柔性囊體和高強度內(nèi)撐鋼管實現(xiàn)加載過程。當(dāng)囊體內(nèi)注水時，鋼架與內(nèi)襯之間被充滿，為內(nèi)襯結(jié)構(gòu)提供法向壓力，模擬隧洞襯砌受內(nèi)水壓力。內(nèi)壓分21級加載，每級持續(xù)30 min，每組加壓卸載循環(huán)3次。加載范圍為0～0.60 MPa，1-6級每級加載0.05 MPa，7-21級每級加載0.02 MPa。

圖3 加載裝置

3 有限元模型

由于上述試驗加載范圍有限，缺少對于其結(jié)構(gòu)極限承載能力的研究。為保證其結(jié)構(gòu)安全性，針對上述復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

采用有限元軟件對復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進行建模分析，共考慮273 607個單元和95 732個節(jié)點。復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)主要包括混凝土、鋼和橡膠，其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

在有限元模型中，采用總應(yīng)變裂縫模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)，其接觸面摩擦系數(shù)取0.6，與鋼材接觸面摩擦系數(shù)取0.3。采用Von Mises模型對鋼筋與螺栓進行模擬。橡膠間接觸摩擦系數(shù)取0.4[7-8]。

復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)荷載-結(jié)構(gòu)法示意圖見圖4，其內(nèi)荷載施加于結(jié)構(gòu)內(nèi)表面。在有限元軟件中，設(shè)置全周受壓彈簧表征圍巖約束作用[9]，分16級加載，每級加載0.05 MPa，最大內(nèi)水壓力為0.08 MPa。

圖4 荷載-結(jié)構(gòu)法示意圖

4 不同內(nèi)壓下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

4.1 裂縫寬度

通過有限元軟件數(shù)值仿真可對襯砌表面的裂縫寬度進行精確測量，最大裂縫寬度見圖5。由圖5可見，外襯內(nèi)側(cè)裂縫寬度最大的為B1塊，寬度為0.241，裂縫寬度最小的為B2塊；內(nèi)襯內(nèi)側(cè)裂縫寬度最大的為B1塊，最大裂縫寬度為0.256，裂縫寬度最小的為F塊。外襯B1塊和B3塊裂縫寬度較大，B2塊裂縫寬度最小。隨內(nèi)水壓力的增大，外襯F、L1、L2和B2塊裂縫寬度變化趨勢較為平穩(wěn)。當(dāng)內(nèi)水壓力為0～0.5 MPa時，外襯B1塊裂縫寬度變化趨勢較為平穩(wěn)；當(dāng)內(nèi)水壓力大于0.5 MPa時，外襯B1塊裂縫寬度發(fā)生突變，其裂縫寬度增幅變大；當(dāng)內(nèi)水壓力為0～0.6 MPa時，外襯B3塊裂縫寬度變化趨勢較為平穩(wěn)；當(dāng)內(nèi)水壓力大于0.6 MPa時，其裂縫寬度增速明顯變大。受內(nèi)水壓力的影響，外襯內(nèi)側(cè)裂縫主要發(fā)生在管片的頂部和底部。根據(jù)水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范可得，裂縫寬度最大值為0.2 mm。當(dāng)內(nèi)水壓力為0.7 MPa時，外襯B1塊裂縫寬度為0.216 mm，超出規(guī)范規(guī)定的裂縫寬度最大值[10]。

內(nèi)襯B1塊和B3塊裂縫寬度較大，B2塊裂縫寬度較小。隨內(nèi)水壓力的增大，內(nèi)襯F、L1、L2和B2塊裂縫寬度變化趨勢較為平穩(wěn)。當(dāng)內(nèi)水壓力大于0.35 MPa時，內(nèi)襯B1塊裂縫寬度發(fā)生突變，其裂縫寬度明顯增大；當(dāng)內(nèi)水壓力大于0.6 MPa時，內(nèi)襯B3裂縫寬度增長趨勢突變，增速顯著；當(dāng)內(nèi)水壓力大于0.6 MPa時，內(nèi)襯B1塊裂縫寬度為0.217 mm，大于規(guī)范所規(guī)定的最大裂縫寬度。

圖5 最大裂縫寬度

由上述分析可得，裂縫寬度前期發(fā)展趨勢較為平緩，無突變情況。隨著內(nèi)水壓力的變化，內(nèi)襯鋼筋混凝土構(gòu)件首先出現(xiàn)裂縫。當(dāng)內(nèi)水壓力大于0.35 MPa時，由于其整體剛度減小，裂縫寬度發(fā)生突變；當(dāng)內(nèi)水壓力超過0.6 MPa時，內(nèi)襯裂縫寬度超過規(guī)定限值，內(nèi)壓的受力減小，外襯管片受壓增大；當(dāng)內(nèi)水壓力為0.7 MPa時，外襯達到正常使用極限狀態(tài)。

4.2 管片接縫張開量

對比分析原位試驗與數(shù)值模擬結(jié)果，其管片接縫張開量見圖6。由圖6(a)可得，管片接縫張開量與內(nèi)水壓力存在正相關(guān)關(guān)系，隨內(nèi)水壓力的變化，管片接縫張開量逐漸增大。L1-B1接縫處接縫張開量增長速度最快，B3-L2接縫處接縫張開量增長速度最為平緩。當(dāng)內(nèi)水壓力最大時，各接縫處接縫張開量均小于規(guī)范接縫張開最小值(2 mm)，未達到極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定安全。

由圖6(b)可得，數(shù)值模擬結(jié)果隨內(nèi)水壓力變化趨勢較為明顯，各接縫處接縫張開量均大于原位試驗。其接縫張開量隨內(nèi)水壓力的增大而增大，存在顯著正相關(guān)關(guān)系，且其增長幅度遠(yuǎn)大于原位試驗結(jié)果隨內(nèi)水壓力的變化，管片接縫張開量逐漸增大。B2-L2接縫處接縫張開量增長速度最快，L2-F接縫處接縫張開量增長速度最為平緩。數(shù)值模擬接縫張開量結(jié)果與圖5(b)內(nèi)襯內(nèi)側(cè)裂縫寬度變化趨勢較為接近。在內(nèi)水壓力達到0.35 MPa時，其接縫張開量發(fā)生突變，增長趨勢顯著；當(dāng)內(nèi)水壓力達到0.60 MPa時，接縫張開量增速顯著提高。數(shù)值模擬各接縫最大接縫張開量較大的分別為B3-L2和L1-B1接縫處，其最大值為0.78 mm；最小接縫張開量為L2-F，其最小值為0.166 mm。B3-L2和L1-B1接縫分別位于構(gòu)建的頂部與底部，與上述裂縫寬度最大值規(guī)律相似。說明該結(jié)構(gòu)的頂部和底部較為危險，為薄弱部位。由于該襯砌結(jié)構(gòu)頂部受力小于底部受力，且B2塊剛度大于F塊，使其接縫張開量呈現(xiàn)上部和右側(cè)增長量較大的情況。

圖6 管片接縫張開量

5 結(jié) 論

本研究以某地區(qū)水資源工程為研究對象，對其復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進行研究，對其進行原位試驗及有限元模擬分析。對比分析其裂縫寬度、接縫張開量及螺栓應(yīng)力隨內(nèi)水壓力變化趨勢結(jié)果，分析其受力方式和變形規(guī)律。結(jié)論如下：

1) 在原位實驗中，采用新型加載方法，對內(nèi)水壓力進行模擬。由于原位試驗的局限性，應(yīng)變計布置與實際情況有一定的差異，螺栓應(yīng)力不能被全面反映。該加載方法仍有改善空間。

2) 當(dāng)內(nèi)水壓力超過0.6 MPa時，內(nèi)襯裂縫寬度超過規(guī)定限值，內(nèi)壓的受力減小，外襯管片受壓增大。內(nèi)水壓力為0.7 MPa時，外襯達到正常使用極限狀態(tài)。

3) 當(dāng)內(nèi)水壓力達到0.60 MPa時，接縫張開量增速顯著提高。數(shù)值模擬各接縫最大接縫張開量較大的分別為B3-L2和L1-B1接縫處，其最大值為0.78 mm；最小接縫張開量為L2-F，其最小值為0.166 mm。