湿态钢纤维泡沫混凝土初期支护减震特性研究.pdf
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1、NO.7(Ser.298)JOURNALOF RAILWAY ENGINEERING SOCIETYJul2023程道铁报学2023年7 月第7 期(总2 9 8)文章编号:10 0 6-2 10 6(2 0 2 3)0 7-0 0 5 7-0 6湿态钢纤维泡沫混凝土初期支护减震特性研究朱正国1*崔振伟陈士通?刘利3韩伟歌樊浩博郭小龙韩智铭张梓峰(1.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,石家庄0 5 0 0 43;2.石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室,石家庄050043;3.中铁十八局集团有限公司,天津30 0 2 2 2;4.河北省
2、金属矿山安全高效开采技术创新中心,石家庄0 5 0 0 43)摘要:研究目的:水是隧道结构常见地质环境,分析研究新型初期支护材料的减震性能必须考虑水的影响。因此本文在试验探究适宜作隧道初期支护的钢纤维泡沫混凝土的基础上,进一步试验分析水对其力学性能的影响;最后通过数值模拟构建三维复合式衬砌隧道结构模型,探究在不含水地层与富水地层中新型初期支护的减震性能。研究结论:(1)湿态钢纤维泡沫混凝土的动态模量随含水量的增加而增大,准静态单轴抗压强度与抗拉强度随含水量的增加而降低;(2)钢纤维泡沫混凝土初期支护有明显的减震效果,减震率最高达41.43%,围岩级别越高,减震效果越显著;在地震设防烈度升高时,
3、减震效果提升不明显;(3)在不含水地层中,不同厚度初期支护的减震效果有边际效应,而在富水地层中没有这种边际效应,分别给出了不同工况条件下的钢纤维泡沫混凝土初期支护厚度的推荐值,可供实际施工参考。关键词:钢纤维泡沫混凝土;初期支护;富水;动态模量;减震中图分类号:TU528文献标识码:AResearch on the Damping Characteristics of Wet Steel Fiber FoamedConcrete Initial SupportZHU Zhengguo,CUI Zhenwei,CHEN Shitong,LIU Li,HAN Weige*,FAN Haobo,GU
4、O Xiaolong,HANZhiming,ZHANG Zifeng(1.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry of Education,Shijiazhuang TiedaoUniversity,Shijiazhuang,Hebei 050043,China;2.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety ofTrafic Engineering Structures,Shijiazhuag Tieda
5、o University,Shijiazhuang,Hebei 050043,China;3.China Railway18th Bureau Group Co.Ltd,Tianjin 300222,China;4.Hebei Province Technical Innovation Center of Safe andEffective Mining of Metal Mines,Shijiazhuang,Hebei 050043,China)Abstract:Research purposes:Water is a common geological environment of tun
6、nel structure.It is necessary toconsider the influence of water on the damping performance of new primary supporting materials.In this paper,theinfluence of water on the mechanical properties of steel fiber foamed concrete which is suitable for tunnel initial supportis analyzed.Finally,a three-dimen
7、sional composite lining tunnel structure model is built through numerical simulation收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 9基金项目:国家重点研发计划课题(2 0 2 1YFB2600605,2 0 2 1Y FB2 6 0 0 6 0 0);国家自然科学基金项目(5 19 7 8 42 4);河北省重点研发计划项目(2 2 37 5 416 D);河北省自然科学基金项目(E2022210040);中国铁建股份有限公司科技重大专项(2 0 19 A05)*作者简介:朱正国,19 7 7 年出生,男,教授,博士生
8、导师。2023年7 月程道报学铁58to explore the damping performance of the new initial support in water-free and water-rich strata.Research conclusions:(1)The dynamic modulus of wet steel fiber foamed concrete increases with the increase of watercontent.The quasi-static uniaxial compressive strength and tensile st
9、rength decrease with the increase of water content.(2)The initial support of steel fiber foamed concrete has obvious shock absorption effect,the shock absorption rate is upto 41.43%;The higher the level of surrounding rock,the more significant the damping effect;When the intensity ofseismic fortific
10、ation increases,the improvement of the damping effect is not obvious.(3)In water-free strata,theeffect of initial support with different thickness has a marginal effect,while in water-rich strata,the marginal effectdisappears.The recommended values of initial support thickness of steel fiber foamed
11、concrete under different workingconditions are given for reference in practical construction.Key words:steel fiber foamed concrete;initial support;water-rich;dynamic modulus;shock absorption1研究背景随着西部大开发与“一带一路”倡议的实施,越来越多的隧道在我国中西部高烈度地区建设。地震会造成十分严重的隧道灾害,常见的隧道抗震措施是增加衬砌厚度和强度,减震措施是增设减震层2 。本文提出一种新的隧道减震思路是利
12、用钢纤维泡沫混凝土兼具泡沫混凝土质量较轻与钢纤维混凝土强度高、韧性好的优点,将其作为承载结构隧道初期支护,并兼作减震结构一隧道减震层隧道是地下结构,水是常见地质环境,隧道结构材料的力学特性应该考虑水的影响。湿态混凝土已经得到众多学者重视,一些研究3 侧重研究强度,认为湿态的混凝土抗拉强度比干燥状态的值略低一些,而在高应力应变率荷载条件下,湿态混凝土又会表现出强度的提高,并将此现象归结于stefen效应,即存在于混凝土之中的水,当混凝土要拉伸分开时产生阻力,并且速率越大,产生的阻力越大;也有学者4 从断裂力学单个裂纹损伤的细观角度出发对普通混凝土抗压强度的降低给予解释。另一些学者5 侧重研究混凝
13、土湿态与干燥状态的刚度变化,结果表明湿态混凝土表现出更大的刚度。显然,含水量不同首先改变混凝土的刚度等特性,进而改变其强度,但是很少有将含水量改变引起的材料刚度等参数改变与强度改变联系起来。本文在三因素四水平正交试验的基础上,将满足规范要求的配合比试块进行不同含水量下的动态模量测定试验,然后根据准静态单轴抗压(抗拉)强度破坏时等效正应力一致的原则,将湿态试块动态模量特性与干燥试块动态模量特性进行受力分析,推导出同一试块在不同含水量状态下,动态模量参数改变后的抗压强度与抗拉强度,最后在FLAC3D中构建围岩-隧道初期支护一隧道二次衬砌模型,在正弦地震波作用下,探究在不含水地层与富水地层中,钢纤维
14、泡沫混凝土初期支护隧道的减震性能2高性能钢纤维泡沫混凝土初支材料的制备2.1原材料混合料采用42.5 级普通硅酸盐水泥,惰性矿物硅灰,稀释率为1:40 的发泡液,高效聚羧酸减水剂,长13mm、直径0.2 mm、抗拉强度36 0 MPa、弹性模量210 GPa的镀铜钢纤维。2.2正交试验配合比按照水胶比为0.35,水泥与硅灰的质量比分别为6:4,7:3,8:2 及9:1,纤维体积率V分别为0.5%,0.7%,0.9%及1%,采用新拌密度分别为1 300 kg/m,1 400 kg/m,1 500 kg/m及1 6 0 0 kg/m的三因素四水平正交试验法设计方案。2.3钢纤维泡沫混凝土生产流程先
15、把水泥、硅灰和水混合搅拌均匀,然后加人钢纤维和泡沫,搅拌均匀,分别倒人尺寸为10 0 mm100 mm 100 mm150 mm 150 mm 150 mm、40 0 mm 100mm100mm的模具,标准养护2 8 d,制备过程如图1所示。图1试块制备过程2.4结果分析通过真空饱和法孔隙率测定试验、单轴抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、扫描电镜试验,得到以下结朱正国陈士通等:湿态钢纤维泡沫混凝土初期支护减震特性研究崔振伟第7 期59论:第一,同种胶凝材料的抗压强度与其原生孔隙率与泡沫孔隙率密切相关;第二,抗拉强度与其自身的抗压强度和钢纤维体积率成呈比例相关;第三,根据铁路隧道设计规范 6 中隧
16、道初期支护C25混凝土材料28d极限抗压强度不小于19 MPa、极限抗拉强度不小于2 MPa的要求,确定了钢纤维泡沫混凝土隧道初期支护的最佳配合比,具体配料量根据绝对体积法计算确定,如表1所示表1配合比水泥/(kg m-3)硅灰/(kg m=3)纤维/(kg:m-)水/(kgm-3)泡沫/(Lm-3)新拌密度/(kgm-)785.00336.4370.20392.50213.341 601.203湿态钢纤维泡沫混凝土力学性能3.1动态模量采用重湿度法对最佳配合比的40 0 mm100mm100mm试件的含水量进行控制。首先将试件烘干,然后对试件表面分别均匀喷洒水(水的体积根据试件总孔隙体积,分
17、别取总孔隙体积的30%,6 0%,10 0%),然后用湿毛巾覆盖,并养护6 h。利用动态模量测定仪对试件进行动态模量测量,结果如表2 所示。表2湿态钢纤维泡沫混凝土动态模量水的总孔隙动弹性模量动剪切模量编号占比/%/CPa/CPaG12.100.83G2302.160.84G3602.220.85G41002.270.86由表2 可知,动态模量随含水量的增加而增大,利用多相介质均匀化弹性模量预测模型 7 与本文数据拟合,如图2 所示,相关性良好,相关系数为0.9 8 6。2.3y=0.171x+2.106R=0.9862.2注:试验数据;2.1一均匀化模型2.000.250.500.751水分
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