机制砂混凝土隧道衬砌结构裂损机理研究.pdf
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1、第 20 卷 第 11 期2023 年 11 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 11November 2023机制砂混凝土隧道衬砌结构裂损机理研究范涛镛1,3,张学民1,3,武朝光1,2,王永林4,李现宾5,牛公却尚4,高祥6(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2.中南大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410075;3.中南大学 重载铁路工程结构教育部重点实验室,湖南 长沙 410075;4.中铁十七局集团 第一工程有限公司,山西 太原 030006;5.中铁二院工程集
2、团有限公司,四川 成都 610000;6.长沙房产(集团)有限公司,湖南 长沙 410011)摘要:为明确铁路隧道机制砂混凝土衬砌结构边墙环向开裂原因,开展了模筑混凝土短柱承载特性试验,利用基于损伤力学的有限元方法,结合模筑混凝土收缩形变试验,分析了机制砂混凝土的收缩变形特征和偏心短柱的承载特性。借助DIANA10.4程序进一步建立机制砂混凝土隧道衬砌结构的三维数值仿真模型,综合考虑围岩荷载、机制砂混凝土收缩效应以及隧道衬砌结构整体受力状态,探讨了机制砂混凝土隧道衬砌结构裂损机理。研究结果表明:随着混凝土强度等级的提高,机制砂混凝土构件与河砂混凝土构件承载能力与抗裂能力均逐步增强,但延性呈逐渐
3、下降趋势;在模筑混凝土短柱承载特性试验中,混凝土强度等级较低构件(C20、C25、C30)破坏特征呈延性,混凝土强度等级较高构件(C35、C40)破坏特征呈脆性;混凝土强度等级相同的情况下,机制砂混凝土构件抗裂与承载能力较河砂混凝土构件虽有所提高,但由收缩效应产生的收缩应力较大,易导致结构裂损;收缩效应是导致机制砂混凝土隧道衬砌结构边墙处出现环向裂缝的主要原因;在保证结构安全的条件下,应适当减小混凝土强度等级、加强养护,降低机制砂混凝土收缩率,以减少衬砌结构裂损现象的出现。研究结果为解决机制砂混凝土隧道衬砌环向开裂问题提供了参考。关键词:隧道工程;衬砌结构;机制砂混凝土;收缩开裂;力学性能中图
4、分类号:U25 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)11-4288-11Crack mechanism of machine-made sand concrete tunnel liningFAN Taoyong1,3,ZHANG Xuemin1,3,WU Chaoguang1,2,WANG Yonglin4,LI Xianbin5,NIU Gongqueshang4,GAO Xiang6(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,Chi
5、na;2.School of Traffic&Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;3.Key Laboratory of Heavy-haul Railway Engineering Structure,Ministry of Education,Central South University,Changsha 410075,China;4.First Engineering Co.,Ltd.,China Railway No.17 Bureau Group,Taiyuan 030
6、006,China;收稿日期:2022-11-28基金项目:中铁十七局集团有限公司科技计划项目(20190101);中南大学研究生科研创新项目(1053320213136)通信作者:武朝光(1973),男,山西平遥人,高级工程师,从事隧道与地下工程科研工作;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222261第 11 期范涛镛,等:机制砂混凝土隧道衬砌结构裂损机理研究5.China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu 610000,China;6.Chanfine Group,Changsha 410
7、011,China)Abstract:To clarify the causes of circumferential cracking in the side walls of the mechanism sand concrete lining structure of railroad tunnels,a load bearing characteristics test of short columns of molded concrete was conducted.Using the finite element method based on damage mechanics a
8、nd combined with the shrinkage deformation test of molded concrete,the shrinkage deformation characteristics of the machine-made sand concrete and the load-bearing characteristics of the eccentric short column were analyzed.With the help of DIANA10.4 program,the three-dimensional numerical simulatio
9、n model of the mechanism sand concrete tunnel lining structure was established.The cracking mechanism of the mechanism sand concrete tunnel lining structure was discussed by considering the surrounding rock load,the shrinkage effect of mechanism sand concrete and the overall stress state of the tunn
10、el lining structure.The results show that with the increase of concrete strength grade,the load-bearing capacity and crack resistance of machine-made sand concrete members and river sand concrete members are gradually enhanced,but the ductility shows a gradual decrease trend.In the test of bearing c
11、haracteristics of molded concrete short columns,the damage characteristics of concrete members with lower strength grades(C20,C25,C30)are ductile,and the damage characteristics of concrete members with higher strength grades(C35,C40)are brittle.In the case of the same concrete strength grade,the cra
12、cking resistance and load-bearing capacity of the mechanism sand concrete members are improved compared with the river sand concrete members,but the shrinkage stress generated by the shrinkage effect is larger,which can easily lead to structural cracking.The shrinkage effect is the main cause of cir
13、cumferential cracks at the side walls of the mechanism sand concrete tunnel lining structure.Under the condition of ensuring the structural safety,the concrete strength level should be appropriately reduced,maintenance should be strengthened,and the shrinkage rate of the machine-made sand concrete s
14、hould be reduced to reduce the appearance of the cracking phenomenon of the lining structure.The results of the study can provide a reference for solving the problem of circumferential cracking of mechanism sand concrete tunnel lining.Key words:tunnel engineering;lining structure;machine made sand c
15、oncrete;shrinkage cracking;mechanical properties 随着社会经济的发展,河砂资源变得越来越匮乏,基于绿色环保理念的推广践行,隧道工程建设中机制砂代替河砂已逐渐成为行业发展的必然趋势12。然而在机制砂混凝土实际应用中,混凝土结构发生损伤与开裂现象屡见不鲜,严重危及结构安全3。为此,学者们针对机制砂混凝土的抗裂性能进行了研究。雷乃金等4对比了掺硅粉与不掺硅粉机制砂混凝土的抗裂性能,研究表明掺入硅粉对机制砂混凝土劈裂抗拉强度有明显提高,其抗裂性能得到增强。于本田等5针对机制砂混凝土收缩开裂性能进行了研究,发现掺入预吸水SAP 可以有效地降低早期收缩。夏晋
16、等6通过试验,比较了不同级配以及细骨料颗粒形状机制砂混凝土梁的开裂荷载和挠度曲线等指标,研究表明合理的级配和形状有利于提高机制砂混凝土的抗裂能力。赖勇超等7运用灰色关联分析,对比研究了凝灰岩机制砂混凝土与石灰岩机制砂混凝土力学和耐久性能等对混凝土的影响,指出泥块含量是影响机制砂混凝土抗裂性能的主要因素。余海洋8针对机制砂混凝土收缩抗裂性能进行了干燥收缩试验,结果显示当石粉含量大于7%时,将抑制混凝土收缩。目前对机制砂混凝土的研究主要集中在掺合料910、石粉含量1112、配合比与减水剂用量1314等对其力学与耐久性能影响等方面,然而4289铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月在
17、隧道工程中,综合考虑围岩荷载与机制砂混凝土衬砌结构整体受力状态及机制砂混凝土特性的结构损伤机制研究较少,未能从工程尺度系统阐释隧道衬砌的裂损现象。某新建铁路某标段典型隧道工程中,衬砌采用机制砂混凝土,经排查发现隧道衬砌共出现373条裂缝,其中环向裂缝332条,占比 89%;裂缝长度 35 m 左右,宽度 12 mm之间,裂缝对称发育,集中在一模衬砌中部位置。为明确机制砂混凝土衬砌环向裂缝的成因,通过模筑混凝土短柱承载特性试验,对比分析机制砂混凝土与河砂混凝土构件的力学特征,研究混凝土强度等级对构件抗裂能力、承载能力与延性等方面的影响;并结合课题组前期模筑混凝土收缩形变试验1516,利用混凝土损
18、伤模型,与试验结果进行对比验证,进而根据所获参数建立隧道衬砌模型,从机制砂混凝土力学性能与收缩效应方面,分析衬砌开裂原因,以期为机制砂混凝土在隧道建设中的推广应用提供指导。1 模筑混凝土短柱承载特性试验1.1原材料试验原材料取自工程现场,其中机制砂采用级配合格、细数模度3.4的粗砂;河沙采用级配合格、细数模度 2.8 的中砂;机制砂石粉含量为5.6%。细骨料筛分曲线等信息详见课题组前期试验结果1516。试验选取了工程中常用 C20、C25、C30、C35、C40 5种不同混凝土强度等级,混凝土配合比如表1所示。1.2试验方法素混凝土短柱构件标准段的截面尺寸为bh=120 mm150 mm,为方
19、便施加偏心荷载,将柱体端部设计成牛腿状。为防止牛腿端部发生局部承表1 不同强度等级混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion of different strength grade强度等级C20C25C30C35C40水泥/(kgm3)273298330353374细骨料/(kgm3)941937883852826粗骨料/(kgm3)510 mm94909292931020 mm6596316436476521631.5 mm188180184185186粉煤灰/(kgm3)6875828894水/(kgm3)154165162169170减水剂/(kgm3)3
20、.413.734.124.414.68(a)加载示意图;(b)C30;(c)C40图1短柱试验方案及典型破坏形态图Fig.1Scheme of short column test and failure pattern diagram4290第 11 期范涛镛,等:机制砂混凝土隧道衬砌结构裂损机理研究压破坏,仅在牛腿端部设置3层竖向间距50 mm、直径 6 mm、20 mm20 mm的钢筋网,并在牛腿端部外侧加设厚度为10 mm的钢板。构件浇筑2 d后拆模,标准养护28 d。试验机采用WA-1000C-I型微机控制电液伺服万能试验机。试验方法依据混凝土结构试验方法标准(GBT 50152201
21、2)17要求进行,不同试验工况的加载偏心距均设置为75 mm。试验开始先进行预加载,正式加载采用单调分级加载;短柱侧面1/2柱高处布置千分表,采集构件侧向挠曲变形,同时采用裂缝宽度测试仪追踪裂缝扩展趋势。试验加载示意图见图1(a),构件破坏形态见图1(b)和图1(c)。2 试验结果及分析2.1短柱偏压破坏形态对于低强度等级的混凝土短柱构件(C20、C25、C30),当荷载达到临界开裂荷载时,首先在短柱中间部位受拉区表面产生横向裂缝。随着荷载的增大,裂缝迅速向受压区扩展;当荷载增大到一定量值时,裂缝沿深度方向的扩展速率明显减缓,而宽度呈迅速增加趋势,随后主裂缝逐渐明显,由平缓阶段转为迅速发展阶段
22、;随着荷载继续增大,受压区混凝土逐渐被压溃。试验过程表明,低强度等级的混凝土短柱构件多表现出明显的延性破坏特征。以C30混凝土短柱为例,破坏形态如图1(b)所示。较高强度等级的混凝土短柱构件(C35、C40),相对于低强度等级混凝土短柱而言,当荷载达到临界开裂荷载后,同样在受拉侧表面出现一条横向裂缝,随着逐级施加荷载,裂缝向受压区扩展并延伸;当荷载达到极限破坏荷载时,主裂缝迅速扩展并贯通短柱横截面,柱体崩坏。试验过程表明,较高强度等级的混凝土短柱表现出相对较明显的脆性破坏。以C40混凝土短柱为例,破坏形态如图1(c)所示。2.2短柱力学性能短柱开裂荷载和极限破坏荷载分别反映了偏压荷载作用下构件
23、的抗裂能力和承载能力。由图2可知,机制砂、河砂混凝土短柱的开裂荷载和极限破坏荷载,均随着混凝土强度等级的提高而呈非线性增大,也即偏心荷载作用下短柱的抗裂和承载能力随着混凝土强度等级的提高而逐渐增强。混凝土强度等级相同工况下,机制砂混凝土短柱的开裂荷载、极限破坏荷载相较河砂混凝土短柱,分别提高了约20%40%和17%23%。对于试验采用的5种混凝土强度等级,每提高一个等级,机制砂混凝土短柱的开裂荷载相对于前一个等级分别提高8.7%、2.4%、26.0%和25.1%,而对于河砂混凝土短柱相对于前一个等级对应提高了8.4%、14.0%、29.8%和 19.8%。对于短柱极限破坏荷载而言,每提高一个强
24、度等级,机制砂混凝土短柱分别提高 13.0%、9.2%、5.3%和 3.0%,而(a)开裂荷载;(b)极限荷载图2不同强度等级混凝土短柱的开裂荷载和极限破坏荷载Fig.2Cracking load and ultimate failure load of short columns with different strength grades4291铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 11月河砂混凝土短柱对应的提高率为 18.7%、5.8%、4.2%和7.8%。通过电镜图对比可知,机制砂混凝土承载与抗裂能力的提高,是因为机制砂与水泥的2种材料之间的化学反应更充分。在河砂砂粒周边存在
25、较明显偏白色的分界面,而机制砂砂粒周边则不存在。2.3短柱延性试验获得的机制砂、河砂混凝土短柱偏压荷载侧向挠度曲线,如图3所示。在加载初期,荷载与侧向位移成线性关系;随着荷载逐渐增大,构件进入塑性状态,荷载位移曲线逐渐变为非线性关系。随着混凝土强度等级的提高,机制砂、河砂混凝土短柱构件的跨中侧向挠度均逐渐减小,延性均呈下降趋势。C25、C30、C35和 C40的机制砂混凝土短柱与C20短柱相比,延性分别下降了22%、33%、46%和67%,而河砂混凝土短柱的岩性相较C20分别下降16%、34%、49%和63%。试验结果表明,机制砂混凝土短柱的延性优于河砂混凝土构件,且当混凝土强度等级达到C40
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