大斷面隧道裝配式管片襯砌高水氣力學(xué)性能模型試驗研究

大斷面隧道裝配式管片襯砌高水氣力學(xué)性能模型試驗研究

1工程背景及仿真研究基本回顧與其他河流交通方式相比，越江隧道具有方便、快速、交通流量大、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。由于其安全高、施工速度快、防水性能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為首選的勞動方式。本文所研究的南京長江隧道是我國目前開工建設(shè)的穿越長江的大型隧道工程，是一座水下公路隧道。受地質(zhì)、水文、環(huán)境條件及工程等多種因素控制，主體結(jié)構(gòu)選擇采用盾構(gòu)施工工法修建。隧道將穿越軟硬程度差異極大的地層，隧道頂部與長江最高水位差約60m，主要穿越砂卵石透水地層。隧道施工全過程以及運(yùn)營階段必將承受較大的外部荷載(高水壓、土壓力及其他各種形式的可預(yù)見和不可預(yù)見的荷載)，結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜、未知因素眾多，在國內(nèi)尚無同類水下隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計先例。隧道襯砌管片設(shè)計理論最大的問題在于模型本身是否能反映工程的實際情況，能否正確地反映盾構(gòu)管片與地層環(huán)境的相互作用。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對盾構(gòu)隧道的襯砌土壓力進(jìn)行了諸多探討，但對于施工中的管片受力過程及狀態(tài)，實際的土壓力、水壓力與管片之間相互作用的過程及量值卻無相關(guān)的探究。本文首先通過模型試驗研究，分析了高水壓條件下管片襯砌力學(xué)行為特征及其與周圍土體的相互作用關(guān)系，然后用有限元數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行對比與驗證，對南京長江隧道的設(shè)計、施工具有一定的工程意義；同時還可對整個長江流域后續(xù)越江盾構(gòu)法隧道工程采用提供重要參考，對于提高我國盾構(gòu)隧道領(lǐng)域的總體應(yīng)用技術(shù)水平也有著重要的意義。2試驗計劃2.1襯砌環(huán)的圓心角隧道主體結(jié)構(gòu)隧道外徑φ14.5m，內(nèi)徑φ13.3m，管片厚度600mm，幅寬2.0m，襯砌環(huán)分成10塊，封頂塊圓心角12°51′25.71′′，兩鄰接塊圓心角38°34′17.14″，標(biāo)準(zhǔn)塊的圓心角38°34′17.14′′。管片襯砌在縱向按通縫式和錯縫式拼裝，一環(huán)環(huán)縫接頭42處，按4°27′和10°37′55.71′′的角度交替布置。2.2管片襯砌結(jié)構(gòu)模型的建立國內(nèi)外開展了許多關(guān)于管片襯砌主體結(jié)構(gòu)的模型試驗，但都沒有完全將水壓力與土壓力分離。近年來，諸多原型或模型試驗均通過直接對襯砌圓環(huán)施加壓力來模擬作用在管片上的實際水壓和土壓力，雖然加載簡單，但無法真實模擬管片與土、水的相互作用。本試驗通過環(huán)箍和張拉等方式導(dǎo)入真實水壓力，采用隧道主體管片襯砌結(jié)構(gòu)與地層共同作用的模型試驗方式進(jìn)行。依據(jù)相似理論原理模擬了隧道穿越的代表性地層和管片襯砌結(jié)構(gòu)體的物理力學(xué)參量，實現(xiàn)對管片結(jié)構(gòu)體環(huán)向及縱向的三維空間效應(yīng)模擬。(1)土壓力的模擬。模型管片周圍充填相似土體材料。由水平方向的千斤頂出力，通過相似土體材料與主體結(jié)構(gòu)的相互作用，將土壓傳導(dǎo)到主體結(jié)構(gòu)模型上。通過改變兩個方向千斤頂出力大小的比值，來實現(xiàn)對不同側(cè)壓力系數(shù)情況的模擬。(2)水壓力的模擬。通常認(rèn)為，盾構(gòu)隧道所受外部靜水壓呈上小下大的類橢圓形，可將其分解為均勻的部分和不均勻的部分，如圖1所示。其中不均勻的部分為新月形，是由隧道上、下深度差產(chǎn)生的。將均勻與非均勻水壓力疊加可以模擬真實水壓力的情況。2.3彈性范圍的選擇試驗以幾何相似比1∶25和容重相似比1∶1為基礎(chǔ)相似比，在彈性范圍控制各物理力學(xué)參數(shù)的完全相似性。根據(jù)相似理論，推得泊松比、應(yīng)變、內(nèi)摩擦角相似比：Cμ=Cε=C?=1；強(qiáng)度、應(yīng)力、黏聚力、彈性模量相似比：CR=Cσ=Cc=CE=25ㄢ2.4土體材料特性分析相似材料的選擇考慮的主要力學(xué)參數(shù)有：巖土體的黏聚力、壓縮模量、內(nèi)摩擦角和容重，管片混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量，鋼筋混凝土中受拉(壓)主筋的等效抗拉(壓)剛度。(1)土體材料。根據(jù)工程地質(zhì)勘測報告，南京長江隧道江中段主要穿越中密粉細(xì)砂、粉細(xì)砂、礫砂軟土地層。隧道穿過土體的力學(xué)參數(shù)變化范圍如下：c=5～6kPa，?=31.9°～34.0°，Es=18.7～56.1MPa，γ=19.0～20.1kN/m3。土體材料采用特定比例的重晶石粉、石英砂、河砂、松香、機(jī)油的混合物模擬。模型土體和原型材料物理力學(xué)參數(shù)見表1ㄢ(2)管片襯砌材料。管片混凝土為C60鋼筋混凝土，采用水∶石膏∶硅藻土(質(zhì)量比)為1∶1.33∶0.1的復(fù)合材料通過預(yù)制加工的方法模擬。(3)管片混凝土環(huán)向主筋。采用直徑為φ1.2mm的鐵質(zhì)材料對稱配筋進(jìn)行模擬。(4)縱縫接頭的模擬。在一定埋深條件下，管片縱縫接頭為具有某一特定抗彎剛度的鉸接體，且一般對正負(fù)彎矩的抗彎剛度不等值。根據(jù)試驗原型的具體情況，在環(huán)中應(yīng)設(shè)置接頭的部位開一定深度的槽縫，弱化該部位的抗彎剛度。槽縫深度依據(jù)與原型接頭抗彎能力等效的原則設(shè)置，見表2ㄢ(5)環(huán)縫接頭的模擬。在實際工程中，管片在環(huán)縫接頭處錯動很小，故在試驗中可將管片接頭徑向抗剪剛度和切向抗剪剛度取為偏于安全的無窮大，即認(rèn)為各環(huán)管片在縱向接頭處不產(chǎn)生錯動。2.5管片環(huán)加載裝置設(shè)計(1)隧道–土層復(fù)合體模擬裝置。裝置采用臥式加載模式，裝置總體尺寸為3.00m×3.00m×0.16m，如圖2所示。隧道模型及相似土體材料置于裝置內(nèi)部，垂直隧道橫斷面方向設(shè)置千斤頂和加載面板，保證隧道在加載狀態(tài)下處于真正的平面應(yīng)變狀態(tài)，水平方向設(shè)置千斤頂，通過傳力裝置進(jìn)行加載，可以方便地實現(xiàn)地應(yīng)力場及不同側(cè)壓力系數(shù)的模擬。(2)均勻水壓裝置。采用旋轉(zhuǎn)式裝置加載，能夠?qū)崿F(xiàn)模型盾構(gòu)隧道管片環(huán)的環(huán)向均布力加載。均勻水壓主要通過鋼絞線箍緊管片環(huán)來模擬，如圖3所示。鋼鉸線沿管片環(huán)縱向均勻分布，用于環(huán)箍加載從而模擬環(huán)向均布壓力。為保證鋼絞線受力一致，鋼絞線中部設(shè)置了測試段，能夠測試鋼絞線的應(yīng)力和應(yīng)變，并且在鋼絞線端頭設(shè)置了可以調(diào)節(jié)其拉伸程度的錨具。(3)非均勻水壓裝置。當(dāng)隧道斷面較大時，考慮管片外徑引起的水壓力的增值(即環(huán)向非均勻水壓)的作用很有必要性。根據(jù)南京長江隧道的管片特點(diǎn)和水壓情況，研制了非均勻水壓力裝置(如圖4所示)，通過控制張拉角和張拉力來模擬管片外徑高的環(huán)向非均勻水壓力，它與均勻水壓力裝置聯(lián)合使用，更真實地模擬了實際的水壓力作用。2.6模型建立及模型驗證根據(jù)實際工程情況，采用7套管片環(huán)，包括一種通縫拼裝和6種錯縫拼裝方式，錯縫拼裝采用兩環(huán)一組進(jìn)行分析，具體見表3，模型試驗對應(yīng)拼裝方式的模型見圖5ㄢ2.7管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力量測(1)管片襯砌的徑向位移。從拱頂開始，在管片環(huán)內(nèi)側(cè)沿順時針方向每30°布設(shè)0.001mm精度差動變壓器式位移傳感器進(jìn)行量測，一環(huán)共布置8個測點(diǎn)。(2)管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。以10°為單位在環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外側(cè)對稱布設(shè)環(huán)向電阻應(yīng)變片，測試內(nèi)外側(cè)應(yīng)變值，以此獲得內(nèi)外側(cè)的應(yīng)變后計算出管片環(huán)結(jié)構(gòu)截面內(nèi)力。單個管片環(huán)共布置72個測點(diǎn)。(3)管片襯砌與土體間的接觸壓力。從拱頂以30°為單位在環(huán)外側(cè)周邊位置布置測點(diǎn)，用精密土壓力盒進(jìn)行量測。第一環(huán)布設(shè)了12個測點(diǎn)，如圖6所示。3對管架坍塌試驗結(jié)果的分析3.1拼裝彎矩對比在相同荷載工作條件下(16.5m土壓，非透水飽和地層)，通縫拼裝的最大正彎矩為660.8kN·m，而錯縫拼裝的最大正彎矩為1829.6kN·m，通縫拼裝的最大負(fù)彎矩為-701.3kN·m，而錯縫拼裝的最大負(fù)彎矩為-1215.2kN·m。通縫拼裝的最大正負(fù)彎矩均小于錯縫拼裝的最大彎矩值，比錯縫拼裝的彎矩值小60%～67%。斷面越大，拼裝方式對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響越大，尤其通縫拼裝較錯縫拼裝彎矩越小。從軸力來看，各拼裝方式在分布形狀和量值上差別很小。從最大變形量進(jìn)行分析，通縫拼裝方式比錯縫拼裝方式最大變形量大15%～35%，錯縫拼裝方式CF1,CF3的最大變形量較小，CF6變形量最大。各拼裝方式加載綜合對比見圖7ㄢCF6拼裝方式在各種工況下相對其他拼裝方式的最大彎矩、最大荷載偏心距都偏大，尤其單點(diǎn)變形量比其他錯縫拼裝方式要明顯大，CF6為最不利拼裝方式，CF2為次不利拼裝方式，而CF1的最大彎矩、最大荷載偏心距和最大變形量等都較小，為最優(yōu)的拼裝方式。3.2管片襯砌結(jié)構(gòu)的動力特性采用錯縫拼裝方式CF1進(jìn)行了高水壓條件下透水地層與不透水地層的對比試驗。透水地層條件下的彎矩僅為不透水地層的45%～55%，最大變形量不足后者的1/2，且荷載偏心距較后者小，只在軸力水平上比后者大，見圖8ㄢ由圖8可知，透水地層與不透水地層條件下的內(nèi)力相差很大，尤其是在高水壓條件下，地層條件對于管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響很大。試驗加載考慮了25m水壓，側(cè)壓力系數(shù)為0.35以及15～50m厚豎向土體壓力，對不同覆土高度下的管片襯砌結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行分析。最優(yōu)拼裝方式CF6管片襯砌結(jié)構(gòu)的最大正彎矩值從440.57kN·m迅速增大到2700kN·m，最大負(fù)彎矩從-302.55kN·m迅速增大到-1574.65kN·m，相應(yīng)平均軸力水平從5.95MN迅速增大到14.21MN；最不利拼裝方式CF6管片襯砌的最大彎矩值從553.97kN·m迅速增大到3326.58kN·m，最大負(fù)彎矩從-252.91kN·m迅速增大到-1176.99kN·m，相應(yīng)的平均軸力水平從5.98MN迅速增大到13.99MN，兩者的對比曲線見圖9。由上可知彎矩和軸力水平均呈現(xiàn)同步較快增長。從試驗彎矩沿圓周分布圖分析，隨著豎向土體壓力的增大，沿管片襯砌結(jié)構(gòu)圓周的彎矩分布形狀和軸力分布形狀則基本保持不變。在管片襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)90°范圍內(nèi)基本為負(fù)彎矩區(qū)域，而管片襯砌結(jié)構(gòu)上下90°范圍內(nèi)基本為正彎矩區(qū)域(見圖10)。3.3管片與通縫拼裝方式的變形分析從內(nèi)力量值分析，高水壓條件相對無水壓條件管片錯縫拼裝方式與通縫拼裝方式最大彎矩比值增大，而各錯縫拼裝間相對變化很小，50m高水壓、20m覆土條件下各拼裝方式管片平均軸力水平增大大約4500kN，結(jié)構(gòu)荷載偏心距大幅度減小，通縫拼裝與錯縫拼裝最大變形量比值接近(見圖11)。從內(nèi)力分布分析，高水壓條件下管片拱底正彎矩較拱頂正彎矩小很多，拱腰以下的正負(fù)彎矩都較小。從變形角度上分析，管片錯縫拼裝方式相對通縫拼裝方式最大變形量小很多，在高水壓條件下錯縫拼裝比通縫拼裝具有更好的變形抵抗能力。從荷載偏心距分析，高水壓條件下管片的荷載偏心距大幅度降低，當(dāng)水壓很大時所有拼裝方式的最大荷載偏心接近常數(shù)。由于隧道斷面大，管片承受管片外徑高度的14.5m非均勻水壓相對最大水壓不能忽略。為真實地模擬水壓的影響，進(jìn)行非均勻水壓加載(考慮管片外徑高的非均勻水壓)與均勻水壓加載(水壓近似考慮為均布)的研究，見圖12ㄢ從非均勻水壓加載、均勻水壓加載對比曲線圖可知，最大正彎矩、最大負(fù)彎矩、最大變形量的變化趨勢大體一致。在試驗結(jié)果上，均勻水壓比非均勻水壓情況下的最大變形量大2.0～2.6mm，最大正彎矩大300kN·m左右，最大負(fù)彎矩小近-200kN·m，最小軸力小至200kN左右，最大軸力小至50kN左右，同時荷載偏心距減小。3.4壓噬破壞區(qū)域分析破壞形態(tài)總體特征：拱頂、拱底部位為裂縫集中部位，壓潰區(qū)域產(chǎn)生在管片水平位置偏上15°左右范圍，破壞的部位最先在拱頂、拱底產(chǎn)生，然后縱向螺栓、環(huán)間接頭附近也出現(xiàn)裂縫或局部壓潰區(qū)，最后在水平位置偏上15°左右的范圍出現(xiàn)壓潰破壞區(qū)域，K塊環(huán)間接頭削弱較多，易在局部產(chǎn)生裂縫，具體如CF1破壞細(xì)部圖(見圖13)。分析破壞產(chǎn)生的原因：(1)從受力上分析，最大正彎矩附近管片內(nèi)側(cè)易出現(xiàn)拉裂裂縫，最大負(fù)彎矩附近管片內(nèi)側(cè)易出現(xiàn)壓潰破壞；(2)從接頭上分析，由于環(huán)間接頭的削弱，中間環(huán)破壞易發(fā)生在距離環(huán)間接頭最近的縱向螺栓對應(yīng)的管片截面上，也就是錯縫產(chǎn)生的附加內(nèi)力部位及最可能出現(xiàn)最大彎矩的部位；(3)從拼裝方式上分析，通縫主要在環(huán)間接頭處產(chǎn)生，破壞形態(tài)大體對稱與豎軸，裂縫較長有貫通的趨勢，而錯縫拼裝在非環(huán)間接頭處有較多裂縫，主要由于前后環(huán)縱向螺栓傳力的影響。4襯砌管片與接頭剛度襯砌環(huán)管片間相互作用模式為：襯砌環(huán)內(nèi)管片通過具有一定抗彎剛度Kθ的環(huán)向接頭連接在一起。在隧道縱向襯砌環(huán)通過具有一定徑向抗剪剛度Kr和切向抗剪剛度Kt的縱向接頭連接在一起。表4,5為試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比表。管片與周圍土體的作用模式通過設(shè)置在管片全周只能受壓的徑向和切向彈簧來實現(xiàn)，這些彈簧受拉時將自動脫離，彈簧的剛度由襯砌周圍土體的地基抗力系數(shù)決定。作用在隧道上方的土層壓力取偏于安全的全土柱壓力，土體、襯砌管片和接頭剛度的參數(shù)與試驗一致，土壓取隧道16.5m埋深時的荷載(考慮為飽和非透水地層荷載)，對TF,CF1,CF2三種拼裝方式進(jìn)行計算，與試驗結(jié)果進(jìn)行比較見表4,5ㄢ從彎矩、軸力沿管片的分布圖對比可知：(1)計算與試驗內(nèi)力分布總體規(guī)律一致，拱頂、拱底為正彎矩區(qū)域，水平位置為負(fù)彎矩范圍；(2)在環(huán)向接頭處彎矩和軸力水平均呈現(xiàn)同步較快增長。從試驗彎矩沿圓周分布情況分析，隨著豎向土體壓力的增大，沿管片襯砌結(jié)構(gòu)圓周的彎矩分布形狀和軸力分布形狀基本保持不變；(3)在管片襯砌結(jié)構(gòu)兩側(cè)90°范圍內(nèi)基本為負(fù)彎矩區(qū)域，而管片襯砌結(jié)構(gòu)上下90°范圍內(nèi)基本為正彎矩區(qū)域(見圖10)。彎矩都有較大減少，最值點(diǎn)位置基本一致；內(nèi)力分布圖在局部存在較小的差異。從彎矩、軸力最值上對比可知：試驗彎矩最大值比計算值要小7%～10%，而軸力最值相差不大。總之，通過試驗與計算的對比可知：兩者規(guī)律一致，結(jié)果相差較小，試驗與計算結(jié)果都有很高的可靠性。5管片襯砌結(jié)構(gòu)試驗比較通過采用室內(nèi)相似模型試驗和數(shù)值計算相結(jié)合，可以得出以下結(jié)論：(1)各拼裝方式間位移值、內(nèi)力值及分布有較大差異，尤其通縫拼裝方式縫拼裝方式與相同條件下的錯縫拼裝方式相比，管片襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度較