地震动力作用下纤维混凝土隧道衬砌的试验研究.pdf

第 3 4卷第 1期 2 0 1 3年 2月 华北水利水 电学院学报 J o u r n a l o f N o Ah Ch i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o we r Vo 1 ． 3 4 No ．1 Fe b．2 O1 3 DOI ： 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2—5 6 3 4 ． 2 0 1 3 ． O 1 ． 0 1 4 地震动力作用下纤维混凝 土隧道衬砌 的试验研究 蒙国往 ，周佳媚 ，李志业 ( 西南交通 大学 交通 隧道工 程教 育部 重点实验 室， 四川 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘 要 ： 通过 与普 通混凝 土衬砌 结构的对 比， 研究 了纤维混凝土衬砌结构在地震 动力作用下 的反应和破 坏形态． 基 于相 似理论 ， 采用 5 n l 5 i n三 向地震模拟振动 台进行模 型试验 ， 通过输入不 同大小 的地震波 ， 研 究纤维混 凝土衬砌在地震动力作用下 的破坏特 征 ， 并探讨破坏机理． 试 验结果 表 明： 素混凝土衬 砌抗拉强度低 、 脆性 大 ， 裂缝基本呈直线型 ， 断 I：q 干净整齐 ， 裂缝挤压处有明显掉块痕迹 ； 纤 维混凝土具 有限制裂缝发 展和结构 变形 的能力 ； 在地震动力作用下 ， 纤维通过 黏结应力 能够使 混凝土 吸收更 多能量 ， 降低 幅值 ， 反 应滞后 ， 减 轻 了地震力对结构 的破坏 ； 纤维混凝土衬砌裂缝多呈锯齿形 ， 挤压松散 的小碎块 通过纤维 黏结 在裂缝 1：3 ． 关键词 ： 纤维混凝土 ； 隧道衬砌 ； 地震动力 ； 模型试验 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2— 5 6 3 4 ( 2 0 1 3 ) 0 1 ～ 0 0 5 9 —0 4 我 国是多地 震 国家 之 一 ， 随 着 我 国公 路 、 铁 路 、 地铁等隧道的日益增多 ， 将有更 多的隧道穿越高烈 度地震 区， 新建隧道和修复既有 隧道都将面临新 的 挑战． 在 51 2汶川地震 中 ， 新建 的都 汶公路共有 1 1 座 隧道 不 同程度受 损 ， 较典 型 的 是震 中 区附 近 的 烧火坪 、 龙溪 、 龙 洞子、 紫 坪铺 等隧道 ． 在隧道使 用 中 ， 二 次 衬 砌 结 构 耐 性 问题 也 逐 渐 突 出 ] ， 而 我 国有关地 下 结构抗 震方 面 的规范 还未 提 出切实 有效 的抗 减震 材料 及措 施 ， 因 而研 究 隧 道及 地 下 工 程 抗 震 问题显 得 十分迫 切 ． 纤维 混凝 土是 近几 年发 展起来 的一 种新 型 复合 建筑 材料 ， 具有 增 强 、 增 韧 、 阻 裂 、 耐 冲击 、 耐 疲 劳 等 优点 ， 已广泛 用 于 国 内 外 土 木 工 程 建 设 中． 采 用 纤维 混凝 土制成 隧 道 衬 砌 ， 并 研究 其 在 地 震 动 力作 用 下 的反应 与破 坏形 态对 隧道 结构 抗减震 具有 重 大 意 义． 1 模 型试验 1 ． 1模 型设 计与 制作 某隧道 的开挖 宽度 为 1 2 ． 6 4 1T I ， 开挖 高度 为 1 0 ． 1 4 m． 考虑试验振动 台上模 型箱尺寸 ( 3 ． 7 IT I 1 ． 5 I n1 ． 8 i n ) 及试验操作便利性 ， 根据相似理论 ， 由几何相似 比( C =3 0 ) 确定出试验模型衬砌断面 尺寸 ， 如图 1 所示． 试验模型衬砌厚 1 ． 4 0 o m， 纵 向 长 8 0 o m． ～ 蒌 I— — — — — — 一 二 = = = = = = I 3 8 ．0 9 l 图 1隧 道 模 型 衬 砌 断 面 尺 寸 ( 单位 ： c m) 制备混凝土的胶凝材料 ， 选用哈尔滨复合硅酸 盐水 泥 P O 3 2 ． 5 ； 水 为 自来 水 ； 细集 料 为标 准 中沙 ， 细度模 数 2 ． 3 ； 纤维 为复 合纤 维 P F一 2 0 0 0 ． 根 据 实 际所 需 衬 砌强 度 及 实验 室 拌 合情 况 ， 选 定两组衬砌配合 比见表 1 ． 同时 ， 采用相 同条件浇筑 两组衬砌及立方体试块 ， 在室温条件下养护 1 8 d后 进 行试 验． 收稿 日期 ： 2 0 1 2—1 1—1 0 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 1 9 ) ． 作者 简介 ： 蒙 国往 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男 ， 壮族 ， 广西环江人 ， 硕士研究生 ， 主要从事地下工程方面的研究 第 3 4卷第 1 期 蒙 国往 ， 等 ： 地震动力作用下纤维混凝土隧道衬砌 的试验研究 6 1 在第 4级加载作用下 ， 在 t =1 6 ． 0 6 5 S 时台面竖 向加速度达最大值 ， 台面振动频率为 4 ． 1 8 4 H z ， 素 混凝 土 衬砌 振 动 响应 频率 为 3 ． 6 5 8 Hz ， 纤 维 混凝 土 L 3 ＼ ／ L l 图 3应变测点示意图 素混 凝 土 衬 砌 的 应 变 对 地 震 动 力 反 应 比较 强 烈 ， 应 变 幅值较 大 ， 时 间 一应 变 曲线 比较 平滑 ； 纤 维 混凝土衬砌应变反应谱不够稳定平滑， 波形变化 的 衬砌振动响应频率为 3 ． 6 8 1 H z ， 纤维混凝土衬砌振 动响应 比素混凝土衬砌振动响应滞后 0 ． 0 4 S ． t =1 4 ～ 1 8 S 期间 ， 衬砌应变响应如图4所示． 图 4 t = 1 4—1 8 s 期 间衬砌应变响应 局部呈锯齿形． 第 4级加载作用下衬砌典型部位 时 间 一应变关 系 曲线 如图 5所示 ． 镯 —— F 1 L 8 ． ．一 II I ⋯上 h 一一～ 上 L — l『一 ⋯ ⋯ lf l 1fl ⋯ ’ 一 r ’ 一 ’ T Is T ／ S ( a )素混凝土衬砌 I 断面左拱肩 ( b ) 纤维混凝土衬砌 I 断面左拱肩 图 5衬 砌 典 型 部 位 时 间 一应 变 关 系 曲线 1 ． 3 ． 3 混凝 土强度 指标 依照《 普 通混 凝 土 力学 性 能试 验 方 法标 准 》 ( G B ／ T 5 0 0 8 1 --2 0 0 2 ) ⋯对立方体试 块进行强度试 验 ， 试验 结果 见 表 5 ． 表 5 混 凝 土 强 度 指标 ( 1 8 d) MP a 2 试验结果初步分析 1 ) 两个衬砌拱 顶裂缝 均偏 离 隧道 中线 3～5 C l n ， 说明在地震荷载和覆土压力共同作用下， 合力位置会 随机移动 ， 最不利荷载出现时导致衬砌发生破坏， 位 置往往偏离隧道中线． 素混凝土衬砌裂缝两侧基体都 是完 全断开 ， 右拱腰 和右拱脚 的裂缝之 间存在 连通裂 缝 ， 裂缝基本呈 直线 型 ， 断 口干净 整齐 ， 裂缝挤 压处有 明显掉块痕迹 ， 说明素混凝土抗拉强度低、 脆性大． 纤 维混凝土衬砌裂缝基本都是一侧张开 ， 另一侧挤压相 连 ， 裂缝内均可看到分散的纤维 以及部分小结团纤 维 ， 裂缝呈锯齿形， 裂缝 口处小破碎片通过纤维仍黏 结在衬砌上． 这说明混凝土基体开裂后， 搭接裂缝 的 纤维能够通过黏结应力继续传递应力 ， 阻碍裂缝进一 步开展； 反复振动荷载作用 ， 导致裂缝慢慢变宽继而 6 2 华北水利水 电学院学报 2 0 1 3年 2月 出现锯齿形裂 缝 ， 并 因挤 压而 产生 小碎 块 ， 小碎 块通 过 已失效的纤维 黏结 在裂缝 口． 2 ) 随着加载等级的提高， 素混凝土衬砌上应变片 破坏增多 ， 纤维混凝土衬砌上的应变片在第 4级加载 中没有新 的破坏 ． 说 明纤 维在混凝土 基体开 裂后对 控 制裂缝继续开 展具 有控 制作 用 ， 并能 调整 应 力 ， 减 少 新生破坏． 纤维混凝土衬砌测点应变值普遍较小 ， 说 明纤维可能对混凝土基体微小变形具有一定约束作 用 ， 或是能够 积极促 进应 力调 整 重分 布． 纤 维 混凝 土 衬砌 的时间 一应 变关 系 曲线局部 均存 在锯 齿 形小 波 动 ， 其振 动响应 比素混 凝土衬 砌 稍微 滞后 ， 说 明在 振 动荷载作用 下 ， 可 能在 衬砌 振 幅达 到最 大瞬 间 ， 纤 维 通过黏结应力 导致 混凝 土 基体微 小 颗粒加 速 度变 小 或抵消 ， 使混凝土吸收更多的能量， 从而幅值降低， 反 应滞后 ， 达 到减轻震动力对结构破 坏的效果 ． 3 ) 由表 5可 知 ， 纤维 混 凝 土立 方 体 轴 心抗 压 强 度在 1 8 d龄期 时 略低 于素混凝 土 ． 3 结 语 1 ) 普 通 混凝 土抗 拉 强 度低 、 脆 性 大 ， 裂 开 截 面 上 的基 体不 能承受 任何拉 力 ， 抗 震性 能差 ． 纤维混 凝 土 具有 明显 的阻裂 和 增强 作 用 ， 采 用纤 维 混 凝 土可 以提高结构的开裂荷载和变形能力 ， 限制裂缝的发 展 ， 减小 裂缝 宽度 ， 同时可 以减轻结 构破 坏程度 ． 2 ) 地震荷 载作用 下 ， 纤 维混 凝 土 衬砌 中的 纤维 能够通 过黏结 应力 控 制 裂缝 继 续 开展 ， 促 进 应 力重 分 布 ， 减轻地 震力对 结构 的破坏 ． 3 ) 地震荷 载作 用下 ， 搭 接 裂缝 的纤 维导 致 裂缝 反 复挤 压而 出现锯 齿 形 ， 挤 压 掉 的小 碎块 通 过 纤 维 黏结 于裂缝 口． 参 考 文 献 [ 1 ]李天斌． 汶 川特大 地震 中山岭 隧道变形 破坏 特征 及影 响因素 分 析 [ J ] ． 工 程 地 质 学 报 ， 2 0 0 8 ， 1 6( 6 ) ： 7 4 2 — 75 0． [ 2 ]曹擎宇 ， 孙伟 ， 赵勇 ， 等． 纤 维素纤 维混凝土性 能及在二 衬 中的应用 [ J ] ． 铁 道学报 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 7 ) ： 1 0 3— 1 0 7 ． [ 3 ]大连理工大学． C E C S 1 3 ： 2 0 0 9纤 维混凝 土试验 方法标 准 [ s ] ． 北京 ： 中国计划出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 4 ] 中国建筑 科学研 究院． G B ／ T 5 0 0 8 1 —2 0 0 2普通 混凝 土 力学性能试验方 法标准 [ s ] ． 北京 ： 中国建筑工 业 出版 社 ． 2 0 0 2 ． Ex pe r i me n t a l St ud y o i l Fi b e r Re i n f o r c e d Co nc r e t e Li ni ng u n de r S e i s m i c Dy na mi c Ac t i on MENG Gu o — w a n g ，Z HOU J i a — me i ，L I Z h i — y e ( K e y L a b o r a t o r y o f T r a n s p o r t a t i o n T u n n e l En g i n e e r i n g o f Mi n i s t ry o f Ed u c a t i o n ， S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1，C h i n a ) 一 一 一 ～ 一 ～ 一 ～ 一 一 一 一 ～ 一 ～ ～ 一 ～ 一～ 一 一 一 ～ 一 ￡蓥 ～ 一 一 ～ ～ ～ 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一 一 一．一一 一 一 一 ～ 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ 一 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