連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞試驗(yàn)研究
【摘 要】 本文通過幾何比1／20相似模型試驗(yàn)，對(duì)Ⅱ類圍巖條件下連拱隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞的力學(xué)行為進(jìn)行了研究，通過研究提出了作者對(duì)連拱隧道二次襯砌的認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)施工提供參考。
【關(guān)鍵詞】連拱隧道；二次襯砌；模型試驗(yàn)
1前言
在高等級(jí)公路及市政道路的建設(shè)中，為獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，大量采用了雙連拱隧道方案【1】。但在我國(guó)，連拱隧道尚為新型隧道結(jié)構(gòu)，已建成的連拱隧道數(shù)量極少，缺乏可借鑒的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)。從目前國(guó)內(nèi)其他省市在建中的為數(shù)不多的連拱隧道工程來看，在施工中均不同程度地出現(xiàn)了開挖過程中圍巖坍坍、已修筑的襯砌產(chǎn)生大面積裂縫、襯砌接頭處嚴(yán)重漏水、工程造價(jià)難于控制等問題”。隨著連拱隧道的大量出現(xiàn)，連拱隧道的綜合修建技術(shù)就成為當(dāng)前亟待研究解決的課題。
現(xiàn)階段我國(guó)的隧道設(shè)計(jì)基本以新奧法作為指導(dǎo)理論【3】【4】，設(shè)計(jì)時(shí)除少數(shù)情況使二次襯砌在施工階段和運(yùn)營(yíng)初期承受一定比例的荷載外，大部分將初期支護(hù)作為施工階段和隧道運(yùn)營(yíng)初期的承載體系進(jìn)行
考慮，而將二次襯砌作為長(zhǎng)期安全性儲(chǔ)備，但設(shè)計(jì)時(shí)如何確定二次襯砌的厚度具有較大的主觀性，為了研究二次襯砌在隧道長(zhǎng)期安全性中發(fā)揮的作用，本文作者在國(guó)內(nèi)首次采用幾何比1／20的相似模擬試驗(yàn)對(duì)跨度為2Sm左右的4車道雙連拱隧道的二次襯砌進(jìn)行了結(jié)構(gòu)破壞試驗(yàn)，以此探明二次襯砌在隧道長(zhǎng)期安全性中發(fā)揮的作用。
2 模型試驗(yàn)
2.1試驗(yàn)原型
研究以金(華)麗(水)溫(州)高速公路二期工程中的21座Ⅱ類圍巖條件下的連拱隧道為試驗(yàn)原型，圍巖的參數(shù)值按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ026--90)并參照《鐵路隧道新奧法指南》偏低范圍取值，具體取值為：凝聚力0．18MPa、內(nèi)摩擦角28度、彈性模量1．4GPa、容重17．9kN／m。結(jié)構(gòu)原型支護(hù)參數(shù)如圖1所示。將自重應(yīng)力場(chǎng)作為試驗(yàn)的原始地應(yīng)力場(chǎng)。
2．2相似材料
試驗(yàn)以幾何相似比Cl=20和容重相似比Cy＝1為基礎(chǔ)相似比，根據(jù)相似理論推得各物理力學(xué)參數(shù)原型值與模型值的相似比。圍巖材料采用特定比例的重晶石粉、石英眇、松香和凡士林的熱融混合物模擬。這種混合材料在化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，基奉不受溫度和濕度的影響，以高壓方法加壓成型；二次襯砌采用水膏比為1：1．15的特種石膏材料，通過預(yù)制加工現(xiàn)場(chǎng)安裝的方法模擬，其力學(xué)指標(biāo)以實(shí)驗(yàn)值為準(zhǔn)；二次襯砌鋼筋采用直徑4mm的鐵質(zhì)材料通過原型與模型在拱部和邊墻部等效抗彎剛度EI和中墻部等效抗拉剛度EA完全相似的方法進(jìn)行模擬。
2．3試驗(yàn)裝置
全部試驗(yàn)在專門制作的臺(tái)架式鋼板試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒蹆?nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒塾脙山M180工字鋼對(duì)模型槽前后進(jìn)行約束，使試體處于平面應(yīng)變狀態(tài)，模型尺寸為4．3mx 3．7mx0．48m，試體尺寸為1．25mx0．60mx0．48m。試驗(yàn)裝置及試體的概要圖如圖2。
圖2 模型試驗(yàn)裝置概要
2.4測(cè)量系統(tǒng)
(1)洞室周邊徑向位移
在洞室周邊典型位置布置測(cè)點(diǎn)，用千分之一精度的差動(dòng)變壓器式位移計(jì)進(jìn)行量測(cè)。
(2)二次襯砌內(nèi)力
在襯砌內(nèi)、外側(cè)對(duì)稱布設(shè)環(huán)向電阻應(yīng)變片方式測(cè)讀內(nèi)外側(cè)應(yīng)變值，以此獲得內(nèi)外側(cè)的應(yīng)變后計(jì)算出二次襯砌的截面內(nèi)力。
(3)圍巖與支護(hù)間接觸壓力
在洞室周邊典型位置布置測(cè)點(diǎn)，用精密土壓力盒進(jìn)行量測(cè)。各次試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)布置見圖3所示。
2．5試驗(yàn)系列
本次試驗(yàn)共做了三組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的具體情況為
(1)二次襯砌主筋量比設(shè)計(jì)值少30％。
(2)二次襯砌主筋量與設(shè)計(jì)值相同。
(3)二次襯砌主筋量比設(shè)計(jì)值多30％。
2．6試驗(yàn)加載方法
將預(yù)先加工好并布置了量測(cè)系統(tǒng)的二次襯砌模型埋人橫向?qū)挾葹?．8m的地層相似材料中，結(jié)構(gòu)的上部覆土深度為20cm，下部深度為95cm，然后在地層相似材料的上面加上底部寬度為20cm的承載梁，承載梁的長(zhǎng)度為2．8m。在承載梁的上面使用兩個(gè)千斤頂通過傳力柱用精密穩(wěn)壓臺(tái)進(jìn)行分級(jí)加載，載荷從0m自重土柱高開始，每級(jí)載荷在前一級(jí)載荷的基礎(chǔ)上增加相當(dāng)于原型10m自重土柱高的載荷增量，每級(jí)載荷加上以后，觀測(cè)試驗(yàn)管片的位移、變形和破壞情況，并做好記錄，當(dāng)管片的位移趨于穩(wěn)定以后，整個(gè)量測(cè)系統(tǒng)采集一次數(shù)據(jù)，作為該級(jí)載荷下管片的量測(cè)結(jié)果，然后再增加一級(jí)載荷，整們D載過程一直持續(xù)到試驗(yàn)管片出現(xiàn)肉眼能見到的較大的裂縫(大約1mm)，結(jié)構(gòu)完全破壞為止。
3試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1內(nèi)力變化規(guī)律
二次襯砌的內(nèi)力(彎矩和軸力)隨著荷載的增加而增加，在彈性階段，二次襯砌的內(nèi)力隨荷載的增加基本呈線性增加趨勢(shì)，但在剛開始的幾級(jí)荷載內(nèi)，每級(jí)荷載二次襯砌的內(nèi)力增加值較后幾級(jí)每級(jí)荷載的大，在相同的條件下，二次襯砌結(jié)構(gòu)的配筋率越大，其內(nèi)力值也越大，但從量值上考擦，由配筋率的不同產(chǎn)生的內(nèi)力差異(最大主筋配筋率與最小主筋配筋率情況相比)在30％以內(nèi)，根據(jù)以上的試驗(yàn)現(xiàn)象，可以得出在加載過程中承受荷載的不只是二次襯砌本身，除了二次襯砌以外，圍巖也分擔(dān)一部分荷載，其分擔(dān)比例隨結(jié)構(gòu)配筋率的增大而減小，但其變化范圍不會(huì)超出30％；結(jié)構(gòu)的最大彎矩出現(xiàn)在拱頂和仰拱兩個(gè)部位，同時(shí)拱頂和仰拱部位結(jié)構(gòu)的軸力值又相對(duì)較小，對(duì)結(jié)構(gòu)而言拱頂和仰拱應(yīng)為最不利位置，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)作為控制面。圖4和圖5為試驗(yàn)2二次襯砌右洞拱頂和仰拱內(nèi)力隨荷載的變化情況；圖6和圖7 3J--組試驗(yàn)在等效土柱為80m的荷載時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值。
圖4 右洞拱頂和仰拱彎矩變化圖
圖5 右洞拱頂和仰拱軸力變化圈
3.2位移變化規(guī)律
二次襯砌的位移隨著荷載的增加而增加，在結(jié)構(gòu)處于彈性階段，二次襯砌的位移隨荷載的增加基本呈線性增加，相同的載荷條件下，二次襯砌的剛度越大其位移值越小。圖8為三組試驗(yàn)在等效土柱為80m荷載時(shí)結(jié)構(gòu)的位移值。結(jié)構(gòu)的最大位移值出現(xiàn)在拱頂和仰拱兩個(gè)部位，故在設(shè)計(jì)和施工中，拱頂和仰拱的位移應(yīng)作為控制位移面，現(xiàn)場(chǎng)的收斂標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以拱頂和仰拱的收斂為依據(jù)。
3．3 破壞狀態(tài)的描述
圖8 80m土柱荷載時(shí)的位移圖
試驗(yàn)管片在40~50m等效土柱載荷條件下出現(xiàn)了刪、裂縫，隨著荷載的增加，每增加一級(jí)載荷裂縫寬度和條數(shù)都有所增加，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫較多，寬度較寬的情況下停止了加載，停止加載時(shí)的荷載為100m等效土柱高。雖然每次試驗(yàn)的裂縫位置有所不同，但總的來說裂縫位置主要在以下部位：首先在拱頂或仰拱部位的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)十分細(xì)小的縱向裂縫，隨著載荷的增加裂縫向周圍和外側(cè)擴(kuò)展延伸，裂縫的寬度和深度不斷的增加；在拱頂或仰拱出現(xiàn)縱向裂縫的同時(shí)或稍后載荷‘隋況下，在中墻頂與兩主洞相連接的雁形部的內(nèi)側(cè)、兩側(cè)拱腳和拱腰的外側(cè)也出現(xiàn)十分細(xì)小的縱向裂縫，隨著載荷的增加裂縫向周圍和外側(cè)擴(kuò)展延伸，裂縫的寬度和深度也不斷地增加；再加上1～2級(jí)荷載，結(jié)構(gòu)的其他位置也出現(xiàn)縱向裂縫，并且裂縫很快地向周圍和縱深擴(kuò)展，寬度也急劇的增加，直至結(jié)構(gòu)完全破壞。當(dāng)管片出現(xiàn)裂縫以后，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移都出現(xiàn)了突變，在試驗(yàn)中為了更好地觀測(cè)到裂縫和整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞狀況，繼續(xù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載，在后面的加載過程中，各項(xiàng)試驗(yàn)值不能完全代表原型值。試驗(yàn)完成以后，拱頂和仰拱處的縱向裂縫完全管通，最大裂縫寬度1～2mm。圖9為試驗(yàn)2試驗(yàn)結(jié)束后的襯砌破壞情況描述圖。
圖9 試驗(yàn)結(jié)束后二次襯砌結(jié)構(gòu)破壞圖
根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果和分析，可得出如下結(jié)論：
(1)在加載過程中，承受荷載的不只是二次襯砌本身，除了二次襯砌以外，圍巖也承受了一部分荷載；圍巖承受的荷載劃、與二次襯砌的結(jié)構(gòu)的配筋率有直接關(guān)系：當(dāng)二次襯砌的配筋率相對(duì)較大時(shí)，圍巖承受的荷載相對(duì)較小；反之，圍巖承受的荷載相對(duì)較大；但結(jié)構(gòu)的配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響不會(huì)超過30％。
(2)二次襯砌的最大內(nèi)力值在拱頂和仰拱兩個(gè)部位，因?yàn)樵诰唧w的設(shè)計(jì)和施工中，仰拱施作完后還要回填并施作路面系統(tǒng)等，仰拱的細(xì)小裂縫不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太大的影響，在設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)將拱頂?shù)膬?nèi)力作為控制面。二次襯砌從出現(xiàn)裂縫到隧道坍坍，需要一定的載荷增量，故在隧道初期出現(xiàn)裂縫時(shí)，結(jié)構(gòu)還有一定的承載能力。
(3)二次襯砌的最大豎向位移值出現(xiàn)在拱頂和仰拱兩個(gè)部位，最大水平位移出現(xiàn)在拱腰部位，拱頂和仰拱的位移應(yīng)作為控制位移面，現(xiàn)場(chǎng)的收斂標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以拱頂和仰拱的豎向收斂和拱腰的水平收斂為依據(jù)。
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