隧道初期支護(hù)模袋混凝土抗壓強(qiáng)度試驗研究

李鵬飛，滕 卓，張明聚，劉雅丹，賀維國，房 倩

(1.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室,北京 100124; 2.北京市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站,北京 100073; 3.中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,天津 300133; 4.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044)

引言

暗挖法隧道多采用由初期支護(hù)和二次襯砌組成的復(fù)合式襯砌,其中初期支護(hù)的主要形式為錨噴支護(hù),而噴射混凝土技術(shù)更是錨噴支護(hù)的核心支柱,但是噴射混凝土具有回彈量大、粉塵大、容易開裂等局限性[1-6]。在此背景下,張明聚等[7]提出了采用模袋混凝土替代噴射混凝土,配合鋼波紋板的地下工程支護(hù)結(jié)構(gòu)方案,其中鋼波紋板和模袋工廠預(yù)制,現(xiàn)場安裝后采用小型高壓混凝土輸送泵往模袋內(nèi)加壓灌注細(xì)石混凝土,分析了圓形豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的受力特性。本文對此支護(hù)方案應(yīng)用于隧道初期支護(hù)時的模袋混凝土抗壓力學(xué)性能展開研究。鋼波紋板-模袋混凝土隧道初期支護(hù)效果如圖1所示。

圖1 鋼波紋板-模袋混凝土隧道初期支護(hù)Fig.1 Initial support of steel corrugated plate-mold bag concrete tunnel

支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由鋼波紋板和模袋混凝土組成?，F(xiàn)場施工時混凝土被高壓混凝土輸送泵加壓灌注到模袋內(nèi),在鋼波紋板、模袋和圍巖的共同約束作用下,可充分充填鋼波紋板與圍巖之間的構(gòu)造間隙。并且在施工期間灌注壓力和模袋透氣、透水、不透漿的特性使得混凝土能夠快速凝固,凝固成型后與鋼波紋板形成組合結(jié)構(gòu),具有一定的剛度和承載力,可共同承擔(dān)荷載作用,達(dá)到隧道快速支護(hù)、綠色環(huán)保的目的。

模袋混凝土作為一種新型施工技術(shù),廣泛應(yīng)用于水利、海港、公路、鐵路工程建設(shè)等領(lǐng)域中[8]。其概念最初由荷蘭人Henry Helon提出,將兩層輕而致密的尼龍編織物用鐵釘和墊圈聯(lián)接在一起,然后灌注混凝土,模袋混凝土結(jié)構(gòu)由此誕生[9]。20世紀(jì)60年代,機(jī)織土工模袋技術(shù)最先在美國實現(xiàn)了工業(yè)化發(fā)展并在水利工程中取得了良好的效果。20世紀(jì)80年代,歐美日等國在水壩、海岸、公路等領(lǐng)域防護(hù)工程中大規(guī)模使用模袋混凝土技術(shù)[8]。該項先進(jìn)的混凝土施工技術(shù)也引起了我國學(xué)者的關(guān)注,我國于20世紀(jì)70年代開始引進(jìn)模袋混凝土技術(shù)并將其成功應(yīng)用到彎道護(hù)岸中。隨著社會的發(fā)展以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出,高性能、低能耗、環(huán)保和改善施工質(zhì)量的模袋混凝土技術(shù)在國內(nèi)眾多航道、渠道、護(hù)坡、護(hù)岸中得到了廣泛應(yīng)用,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益[10-13]。

模袋混凝土是利用織物袋充灌填料后具有的透水不透漿特性,依靠自重和泵壓從模袋的孔隙中排出多余水分,降低水灰比,凝固后達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。汪玉君等[14]較早指出實驗室內(nèi)制作模袋混凝土應(yīng)模擬其施工條件,將新拌混凝土裝入模袋內(nèi),使其吊離地面進(jìn)行自然排水,利用排水后的混凝土制作試件,而吊袋時間則通過試驗確定。葉遠(yuǎn)勝等[15]指出模袋混凝土成型的施工工藝特點,即混凝土充填到模袋內(nèi)后,首先依靠自重作用進(jìn)行流淌、擴(kuò)散,此時,模袋混凝土受泵送壓力影響很小,排水方式為自由泌水,而當(dāng)模袋充滿后,泵送壓力急劇增大,自由泌水變有壓排水,多余水分進(jìn)一步排出。并在文中比較了不同水灰比混凝土脫水后的抗壓強(qiáng)度。而徐德儒[8]、鄭新[10]、牛德元[16]、劉昱等[17]制作模袋混凝土試件則與普通混凝土相同。

目前關(guān)于模袋混凝土抗壓強(qiáng)度的研究較少且尚無統(tǒng)一明確的研究方法,鑒于此,通過模擬模袋混凝土施工工藝制作試件,研究模袋、有壓排水對不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律,以期為探究模袋混凝土力學(xué)性能及強(qiáng)度試驗方法提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料及配合比

模袋原材料為高強(qiáng)丙綸短纖針刺土工布,以高強(qiáng)丙綸短纖維為主要原料,經(jīng)開松、梳理、雜亂、鋪網(wǎng)針刺以及噴灑拒水劑等工藝生產(chǎn)而成,后經(jīng)過裁剪、縫紉制成模袋成品,如圖2所示。

試驗原材料采用鈞牌P.O 42.5級水泥;細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)2.0的細(xì)砂;粗骨料采用粒徑5～20 mm連續(xù)級配碎石;水采用實驗室自來水,如圖3所示。

配合比按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[18]要求設(shè)計,如表1所示。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

1.2 試驗方案及設(shè)備

(1)試驗工況

為研究模袋、混凝土成型方式對不同齡期(3,7,28 d)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,本試驗制作了12組試件,每組3塊,共計36塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試件;每個齡期混凝土試件包括4個工況,如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

需要說明的是,本次試驗共有兩種類型模袋,一種是用于有壓排水操作的大模袋,另一種是包裹混凝土試塊的小模袋。表2中“有無模袋”指的是混凝土試塊成型后表面有無包裹模袋。“是否經(jīng)過有壓排水”指的是混凝土在攪拌機(jī)攪拌完成之后,裝入混凝土試模之前混凝土拌合物是否用大模袋進(jìn)行有壓排水操作。

(2)有壓排水過程

已有研究表明,在模袋混凝土施工過程中,當(dāng)混凝土的坍落度由初始值降低至100～150 mm,泵壓力基本釋放完畢,有壓脫水過程結(jié)束[15]。

本試驗將按配合比準(zhǔn)備好的粗骨料、細(xì)骨料和水泥倒入攪拌機(jī)干拌2 min,然后將水倒入,繼續(xù)攪拌2 min;攪拌機(jī)完成后,取一部分混凝土拌合物按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]的要求進(jìn)行第一次坍落度測定,簡稱“灌前坍落度”,同一批剩余部分混凝土拌合物裝入模袋進(jìn)行壓力X和時間Y的有壓排水;有壓排水完成之后,取出模袋內(nèi)的混凝土拌合物進(jìn)行第二次坍落度測定,簡稱“灌后坍落度”。然后,查看灌后坍落度是否在100～150 mm區(qū)間內(nèi),如未在此區(qū)間,重復(fù)以上步驟直至灌后坍落度滿足此區(qū)間,并以此壓力X和時間Y為標(biāo)準(zhǔn)制作后續(xù)模袋混凝土試件。

本試驗灌前坍落度265 mm,經(jīng)多次試驗發(fā)現(xiàn),經(jīng)壓力X=850 N,時間Y=1 min的有壓排水,灌后坍落度為110 mm,如圖4所示。

圖4 坍落度及有壓排水照片F(xiàn)ig.4 Slump and pressurized drainage photos

(3)試件制備與養(yǎng)護(hù)

對于工況1(無模袋、不排水)和工況2(有模袋、不排水),沒有經(jīng)過有壓排水過程,采用普通混凝土試件成型方式,按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]的要求制備。對于工況3(無模袋、排水)和工況4(有模袋、排水),需經(jīng)過有壓排水過程,首先將混凝土裝入模袋,進(jìn)行壓力X=850 N、時間Y=1 min的有壓排水,后續(xù)操作同普通混凝土試件的制備方式。

在試件經(jīng)過振動臺振動成型抹面后立即用塑料薄膜覆蓋表面,然后在溫度20 ℃±5 ℃、相對濕度大于50%的室內(nèi)靜置1 d后拆模。工況1(無模袋、不排水)和工況3(無模袋、排水)為無外覆模袋試件,拆模后立即放入溫度20 ℃±2 ℃,相對濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至測試時間;工況2(有模袋、不排水)和工況4(有模袋、排水)為外覆模袋試件,拆模后套入同樣尺寸大小的模袋,進(jìn)行縫合后立即放入同等養(yǎng)護(hù)條件的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至測試時間。

(4)抗壓強(qiáng)度試驗

依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[20],在北京工業(yè)大學(xué)力學(xué)實驗室建儀EHC-3100型200 t電液壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗,試件放置中心與壓力機(jī)上下承壓板中心線對齊,加載速率0.3 MPa/s,保持加載速率不變,觀察試驗現(xiàn)象,直至試件破壞,依據(jù)測試結(jié)果記錄峰值荷載,計算得到立方體抗壓強(qiáng)度fcc,每組測試3個試件,強(qiáng)度結(jié)果取平均值。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的公式進(jìn)行混凝土試件抗壓強(qiáng)度計算。

(1)

式中,fcc為混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度,MPa;F為試件破壞荷載,N;A為混凝土立方體試件承壓面積,mm2。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響因素分析

混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線是分析混凝土結(jié)構(gòu)承載力及變形破壞的重要依據(jù)。對所測得的同工況試件3條試驗曲線進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到曲線均值,繪制出各工況應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5、圖6所示。

圖5 同工況不同齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of different ages under the same working conditions

圖6 同齡期不同工況應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of different working conditions at the same age

2.1.1 模袋

由圖5可知,模袋對混凝土抗壓強(qiáng)度總體影響不大。就本試驗而言,由于“環(huán)箍效應(yīng)”,即混凝土試件在試驗機(jī)上單軸受壓時,豎向縮短,橫向擴(kuò)張,由于壓力機(jī)承壓板的橫向變形遠(yuǎn)小于混凝土的橫向變形,所以承壓板通過接觸面上的摩擦力約束混凝土試件的橫向變形,就像在試件上、下端各加了一個套箍。混凝土試件外覆模袋會降低其抗壓強(qiáng)度,且降低率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加。工況1(無模袋、不排水)和工況3(無模袋、排水)的試件表面沒有包裹模袋,“環(huán)箍效應(yīng)”比較強(qiáng),所以抗壓強(qiáng)度比沒有約束的情況要高;工況2(有模袋、不排水)和工況4(有模袋、排水)的試件表面包裹模袋,相當(dāng)于在壓力機(jī)上下承壓板與混凝土試件之間涂了一層“潤滑劑”,導(dǎo)致試件與壓力機(jī)承壓板間的摩擦力大大減小,其橫向變形幾乎不受影響,受壓時“環(huán)箍效應(yīng)”的影響較小,所以測得的抗壓強(qiáng)度較低。

模袋可以有效提高整體變形能力。有模袋混凝土(工況2和工況4)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷了上升段、平臺段、上升段和下降段等4個階段,相較于無模袋混凝土(工況1和工況3),增加了平臺段。有模袋混凝土平臺段幾乎只增加應(yīng)變不增加應(yīng)力,這是因為有模袋混凝土與壓力機(jī)上下承壓板表面隔著一層模袋,而模袋富有彈性,壓力機(jī)上下承壓板接觸模袋之后先進(jìn)行壓實,增加承壓板、模袋和混凝土試塊之間的摩擦力,而后進(jìn)行壓力施加。

2.1.2 有壓排水

由圖5可知,有壓排水可以大幅度提升混凝土抗壓強(qiáng)度。在相同模袋條件下,相較于不排水混凝土(工況1和工況2),有壓排水混凝土(工況3和工況4)應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段曲線斜率明顯增大,極限應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變則基本相同,這表明經(jīng)過有壓排水的混凝土彈性模量要大于未經(jīng)過有壓排水的混凝土。又因為此時混凝土的變形主要是骨料和水泥結(jié)晶體受力產(chǎn)生的彈性變形,而水泥膠體的黏性流動以及初始微裂縫變化的影響一般很小,所以應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系接近直線;在下降段中有壓排水混凝土(工況3和工況4)的曲線下降速度較不排水混凝土(工況1和工況2)快,最終因裂縫迅速發(fā)展,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體受到愈來愈嚴(yán)重的破壞而結(jié)束。

在相同模袋條件下,將有壓排水、不排水的混凝土試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比。工況3(無模袋、排水)相對于工況1(無模袋、不排水)的抗壓強(qiáng)度在3,7,28 d時分別提高了70.8%,98.5%,38.7%;工況4(有模袋、排水)相對于工況2(有模袋、不排水)的抗壓強(qiáng)度在3,7,28 d時分別提高了72.3%,97.0%,47.2%。

試驗結(jié)果表明,混凝土在經(jīng)過有壓排水后抗壓強(qiáng)度明顯提高,且提高率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律,其中在養(yǎng)護(hù)齡期7 d時抗壓強(qiáng)度提高率最大。原因是混凝土在經(jīng)過有壓排水之后,水灰比迅速減小,凝結(jié)時間縮短,成型更加密實,所以抗壓強(qiáng)度較未排水混凝土普遍提高且在前期混凝土強(qiáng)度增長較快,后期逐漸放緩。

2.1.3 養(yǎng)護(hù)齡期

由圖6可知,養(yǎng)護(hù)齡期對不同工況混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效果不同。無模袋混凝土(工況1和工況3)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有著相似的形狀,過程都分為上升段和下降段兩個部分,但也有實質(zhì)性差別。上升段的斜率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的提高而提高;下降段隨著養(yǎng)護(hù)齡期越大,坡度越陡,即應(yīng)力下降相同幅度時變形越小,延性越差。有模袋混凝土(工況2和工況4)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀除有一定長度的平臺段外,與無模袋混凝土(工況1和工況3)無異。

各工況在同等養(yǎng)護(hù)條件下隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加抗壓強(qiáng)度均有不同程度的增長,如圖7所示。

圖7 混凝土抗壓強(qiáng)度曲線Fig.7 Concrete compressive strength curve

隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長,不排水混凝土(工況1和工況2)的抗壓強(qiáng)度前期增長較慢后期較快,而有壓排水混凝土(工況3和工況4)則正好相反。無模袋、不排水(工況1)時,3,7 d抗壓強(qiáng)度分別是28 d抗壓強(qiáng)度的23.5%,33.3%;有模袋、不排水(工況2)時,3,7 d抗壓強(qiáng)度分別是28 d抗壓強(qiáng)度的26.1%,36.7%;無模袋、有壓排水(工況3)時,3,7 d抗壓強(qiáng)度分別是28 d抗壓強(qiáng)度的28.9%,47.5%;有模袋、有壓排水(工況3)時,3,7 d抗壓強(qiáng)度分別是28 d抗壓強(qiáng)度的30.6%,49.1%。

2.2 破壞形態(tài)

在相同試件成型方式前提下,將有模袋、無模袋的混凝土試件破壞形態(tài)進(jìn)行對比,如圖8所示。需要說明的是,為保持有模袋的混凝土試件完整性,不至于散落成塊,故試驗時只拆除了大部分模袋進(jìn)行觀察。

圖8 混凝土試件破壞形態(tài)Fig.8 Concrete specimen failure form

由圖8可以得出以下結(jié)論。

(1)試件破壞形態(tài)的不同點:工況1(無模袋、不排水)和工況3(無模袋、排水)由于試件無模袋,“環(huán)箍效應(yīng)”較強(qiáng),致使混凝土破壞時形成兩個對頂?shù)慕清F形破壞面,如圖8(a)所示。工況2(有模袋、不排水)和工況4(有模袋、排水)由于試件表面增加了一層模袋,導(dǎo)致“環(huán)箍效應(yīng)”減弱,試件受壓時橫向變形幾乎不受約束,所以試件破壞時裂縫是沿著平行于力的作用方向產(chǎn)生的,如圖8(b)所示。

(2)試件破壞形態(tài)的相同點:不管是無模袋試件(工況1和工況3)還是有模袋試件(工況2和工況4),混凝土邊緣部分皆出現(xiàn)較大的貫穿裂縫,進(jìn)而碎裂、側(cè)面整面脫落,這是由于粗骨料為小粒徑的碎石,混凝土的骨架作用較差,骨料的連接作用較小,并不能提供較強(qiáng)的咬合力,所以在壓力機(jī)上持續(xù)加載直至破壞的過程中,可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生的裂縫不再局限于骨料和漿體之間,試件表面也會迅速產(chǎn)生裂紋[16]。

3 結(jié)論

(1)模袋對混凝土強(qiáng)度影響不大,但有模袋的混凝土整體變形能力相較于普通混凝土得到提高。

(2)有壓排水可以大幅度提升混凝土抗壓強(qiáng)度,且提升隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長呈現(xiàn)先增加后減少的規(guī)律。

(3)養(yǎng)護(hù)齡期對不同工況混凝土的提升效果不同。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長,不排水混凝土抗壓強(qiáng)度前期增長較慢后期較快,而有壓排水混凝土恰好相反。

(4)有模袋、無模袋混凝土試件破壞時邊緣都有貫穿裂縫,但兩者的裂縫方向和破壞面位置不同。

(5)在有壓排水混凝土試件制作過程中,混凝土先經(jīng)歷了有壓排水,而后經(jīng)過振動臺振動成型,此步驟破壞了有壓排水過程所形成的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),不符合模袋混凝土的現(xiàn)場施工工藝;另外,試件是先靜置1 d拆模后放入模袋中,此方法忽略了試件與模袋之間本該有的黏結(jié)力,有待改善。