隧道鋼纖維混凝土單層襯砌模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬

胡 磊，王志杰，何明磊，王 奇，董玉輝

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031;2.交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

本組試驗(yàn)共3個(gè)鋼纖維混凝土試件，幾何相似比1∶S1=1∶7，隧道襯砌模型設(shè)計(jì)縱向長(zhǎng)度15 cm，設(shè)計(jì)厚度300/7=42.86 mm，試件應(yīng)變量測(cè)位置、土壓力盒(圖中小矩形框)布設(shè)位置如圖3所示。

1 工程背景

鋼纖維混凝土主要成分為水泥、粗骨料、細(xì)骨料以及雜亂分布的鋼纖維。與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度和較好的彎曲韌性，能夠消除洞室開(kāi)挖后圍巖表面凸凹不平而帶來(lái)的應(yīng)力集中，改善圍巖力學(xué)性能，有效控制圍巖的過(guò)度變形[1-2]。

模型試驗(yàn)是一種研究隧道工程問(wèn)題的重要手段[3-6]。根據(jù)相似比原理對(duì)實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，在室內(nèi)通過(guò)人工加載的方法判定真型在不同荷載時(shí)的安全性。此外，數(shù)值模擬也是一種重要的分析方法，目前已有許多學(xué)者對(duì)隧道進(jìn)行數(shù)值模擬[7-11]。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)隧道鋼纖維混凝土單層襯砌的安全性作出了評(píng)價(jià)。

某擬建電力隧道，隧道拱頂最大埋深12 m，圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)，由于受到場(chǎng)地限制擬采用暗挖法施工。支護(hù)結(jié)構(gòu)擬采用強(qiáng)度等級(jí)為C30的噴射鋼纖維混凝土單層襯砌[12]，襯砌厚度30 cm。隧道開(kāi)挖高度H1=5.1 m，開(kāi)挖寬度B1=6.2 m。設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。

圖1 隧道設(shè)計(jì)斷面(單位:mm)

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料配合比數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，水灰比W/C=0.65。試驗(yàn)原材料:P.O42.5R普通硅酸鹽水泥;92U硅粉，細(xì)度9.6%;Ⅰ級(jí)粉煤灰;5～10 mm碎石，級(jí)配合理;機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)2.6，石粉含量13.4%，最大粒徑為5 mm;高強(qiáng)鋼絲型鋼纖維，直徑 0.55 mm，長(zhǎng)徑比45.5，抗拉強(qiáng)度大于1 000 MPa，長(zhǎng)20 mm;減水率25%聚羧酸減水劑;無(wú)堿液體速凝劑。鋼纖維體積率為0.45%。

表1 配合比設(shè)計(jì)kg/m3

2.2 試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)以臥式方式對(duì)試件進(jìn)行加載，試驗(yàn)裝置如圖2所示。在保持平面應(yīng)變情況下，對(duì)平面內(nèi)兩個(gè)方向的8個(gè)千斤頂同時(shí)增加油壓，以對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)施加豎向荷載和水平荷載。

圖2 模型試驗(yàn)加載裝置

2.3 試驗(yàn)荷載

Ⅴ級(jí)圍巖參數(shù):圍巖重度γ=19 kN/m3，彈性抗力系數(shù)k=150 MPa/m，變形模量E=2 GPa，泊松比ν=0.35，內(nèi)摩擦角 φ =27°，黏聚力 c=0.2 MPa。

荷載計(jì)算可按《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70—2010)進(jìn)行。荷載等效高度hq=8.06 m，深、淺埋分界深度 Hp=(2.0～2.5)hq=16.13～20.16 m。由于埋深H=12 m，hq＜H＜Hp，因而襯砌結(jié)構(gòu)垂直壓力q和側(cè)向壓力ei可按式(1)、式(2)計(jì)算

式中:B1為隧道開(kāi)挖寬度;H為拱頂埋深;θ為頂板土柱兩側(cè)破裂面摩擦角，Ⅴ級(jí)圍巖可取 θ=0.7φ=18.9°;λ為側(cè)壓力系數(shù)，按下式計(jì)算

式中β為產(chǎn)生最大推力時(shí)的破裂角，按下式計(jì)算

經(jīng)式(1)和式(2)計(jì)算，荷載設(shè)計(jì)值見(jiàn)表2。由于室內(nèi)試驗(yàn)采用臥式加載，不能模擬上覆土層重力作用，故豎直方向模型拱頂和拱底加載土壓力相同，水平荷載采用洞頂、洞底側(cè)向荷載均值。

表2 荷載設(shè)計(jì)值 MPa

2.4 結(jié)果分析

本組試驗(yàn)共3個(gè)鋼纖維混凝土試件，幾何相似比1∶S1=1∶7，隧道襯砌模型設(shè)計(jì)縱向長(zhǎng)度15 cm，設(shè)計(jì)厚度300/7=42.86 mm，試件應(yīng)變量測(cè)位置、土壓力盒(圖中小矩形框)布設(shè)位置如圖3所示。

圖3 試件測(cè)點(diǎn)位置

各試件模型在1倍設(shè)計(jì)荷載作用下工作性能良好，襯砌截面幾乎不產(chǎn)生拉應(yīng)力，試件均未發(fā)生破壞。但在3～5倍設(shè)計(jì)荷載作用下，各試件產(chǎn)生了不同程度的破壞。破壞截面一般是拱腳、仰拱、中柱兩側(cè)等截面，其他截面也有應(yīng)變片溢出情況。根據(jù)相似比原理，由試件各截面內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力可得到相應(yīng)真型襯砌截面設(shè)計(jì)荷載作用下安全系數(shù)，匯總見(jiàn)表3。由表3可知，該組3個(gè)試件各截面安全系數(shù)均＞2.4，滿(mǎn)足規(guī)范抗壓強(qiáng)度的安全性要求。

表3 設(shè)計(jì)荷載作用下隧道真型安全系數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 FALC 3D數(shù)值模型

快速拉格朗日法分析軟件(簡(jiǎn)稱(chēng)FLAC 3D)是美國(guó)Itasca Consulting Group，Inc.開(kāi)發(fā)的有限差分法分析軟件，與有限單元方法相比，在巖土領(lǐng)域中的應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。FLAC 3D隧道模型計(jì)算范圍一般為左右各取3～5倍洞徑，隧道上下各取2～3倍洞徑，這里計(jì)算模型隧道左右側(cè)各取20 m，下側(cè)取15 m，上側(cè)取至地表，即為埋深12 m，縱向計(jì)算長(zhǎng)度取3 m。模型單元數(shù)為3 636，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為5 000。

圖4 模型內(nèi)力及安全系數(shù)計(jì)算值

3.2 結(jié)果分析

隧道模型模擬開(kāi)挖并施作單層襯砌支護(hù)后，計(jì)算出襯砌單元的彎矩、軸力及安全系數(shù)，如圖4所示。由圖可見(jiàn)，按《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的允許應(yīng)力法得到的襯砌截面安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。設(shè)計(jì)荷載作用下，鋼纖維襯砌安全系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表4，安全系數(shù)遠(yuǎn)大于規(guī)范容許值。

表4 設(shè)計(jì)荷載作用下隧道真型安全系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)隧道大相似比(1∶S1=1∶7)模型試驗(yàn)和FLAC 3D有限差分法數(shù)值模擬，試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果均表明，鋼纖維混凝土單層襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)是滿(mǎn)足規(guī)范安全性要求的。在設(shè)計(jì)荷載作用下，鋼纖維混凝土單層襯砌的安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范的安全性要求。同時(shí)，模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的分析結(jié)果相近，將二者相結(jié)合綜合分析是一種評(píng)價(jià)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性的較為可靠的方法。

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