裝置材料對防水試驗中密封墊性能的影響

董林偉， 江玉生， 楊志勇， 江 華， 高 勇

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

裝置材料對防水試驗中密封墊性能的影響

董林偉， 江玉生， 楊志勇， 江 華， 高 勇

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

為研究管片密封墊防水試驗中不同裝置材料下密封墊性能的差異，采用彈性力學理論對鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力和裝配力進行研究。以管片接縫密封中常用的三元乙丙密封墊為研究對象，對鋼制裝置和混凝土裝置下的密封墊進行防水試驗，研究2種不同裝置下密封墊的裝配力和耐水壓力與張開量的關系。研究結果表明： 1)鋼制裝置下密封墊的豎向應力比混凝土裝置下密封墊的豎向應力大，導致其耐水壓力高于混凝土裝置； 2)2種裝置得出的裝配力-張開量和耐水壓力-張開量曲線變化規律相似； 3)采用鋼制裝置代替混凝土裝置進行混凝土管片密封墊的防水試驗時，應將張開量減小一定的數值； 4)在密封墊的防水試驗中應盡量采用混凝土裝置進行測試； 5)采用鋼制裝置代替混凝土裝置進行混凝土管片密封墊耐水壓力測試時，應對試驗數據進行平移轉換。

盾構隧道； 防水試驗； 密封墊性能； 裝置材料； 耐水壓力； 裝配力； 張開量

0 引言

隧道防水貫穿地鐵建設和運營的始終，也是提高隧道耐久性的關鍵。目前，我國多采用三元乙丙多孔橡膠密封墊進行管片接縫的防水[1]，因此，對三元乙丙多孔橡膠密封墊的防水性能進行研究具有重要的意義。

國內外學者對管片接縫處密封墊的防水問題進行了大量的研究。GONG Chenjie等[2]針對南京緯三路越江盾構隧道，采用新型混凝土試驗裝置，開展了管片接縫防水一字縫和T字縫的試驗研究，分析了影響密封墊防水的因素；歐陽文彪[3]采用顯式有限元分析法對密封墊的壓縮過程進行了三維模擬，并對鋼制裝置下密封墊的裝配力進行了驗證；鄧朝輝[4]針對獅子洋隧道管片密封墊的密封性能進行了數值模擬和鋼制裝置下的防水試驗，提出了相應的防水設計和施工控制措施；拓勇飛等[5]針對超高水壓大直徑盾構隧道，提出了盾構管片接縫防水設計的流程和方法，通過耐水壓力和裝配力試驗優化了密封墊的設計方案；王湛[6]對密封墊張開和錯位的情況進行了數值模擬，分析了張開和錯位對滲漏位置的影響規律；畢琦等[7]針對不同硬度的密封墊進行了鋼制裝置下的裝配力試驗，得到了密封墊的硬度設計指標，并提出了相應的施工方案；高楠[8]通過采用不同的鋼制試驗裝置，進行了蘇埃通道盾構隧道接縫密封墊的裝配力試驗和防水試驗，對隧道接縫的防水形式進行了設計；李鐵成[9]對新華新街臺格廟礦區斜井鋼制裝置下的管片密封墊進行了T字縫防水試驗和數值分析；F. I. Shalabi等[10]對隧道管片承受靜力和動力荷載時混凝土裝置中的密封墊進行了一系列試驗和研究，給出了密封墊接縫防水規律。

以上研究均是針對密封墊的防水優化設計問題進行的，對密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置下耐水壓力和裝配力的研究并不多。為對比密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置下耐水壓力和裝配力的差異性，筆者開展了密封墊在2種不同裝置下裝配力和耐水壓力的對比試驗，并通過MATLAB軟件對試驗數據進行處理及擬合分析，得出2種不同裝置下密封墊裝配力和耐水壓力的變化規律以及耐水壓力試驗數據之間的轉換關系。

1 密封墊防水性能分析

密封墊的防水性能與接觸面壓力密切相關。由密封墊的工作原理可知，密封時的水壓力pw與初始接觸面壓力有關[11-12]，可近似表示為

pw=kp0。

(1)

式中：pw為滲漏水時密封墊的耐水壓力，MPa；p0為密封墊的接觸面壓應力，MPa；k為與密封墊性質有關的系數，對于非膨脹橡膠，一般取1.2[13]。

密封墊彈性體的約束形式示意圖如圖1所示。

圖1 密封墊約束形式示意

密封墊被固定于溝槽中，受力狀態為平面應變狀態，應力與應變的關系為：

(2)

式中：εx為密封墊的側向應變；εy為密封墊的豎向應變；ν為泊松比；σy為密封墊受到的豎向壓應力,MPa；E為密封墊的彈性模量,MPa。

由式(2)可得

(3)

分析式(3)可知，在密封墊耐水壓力試驗中，若將裝置材料由混凝土裝置變為鋼制裝置，且假設密封墊的豎向應變εy不變，由于鋼制裝置變形較小，密封墊受到的側面約束增強，相當于對密封墊的側向進行擠壓，則密封墊的側向應變εx增大，豎向壓應力增大。再由式(1)可知，密封墊的耐水壓力增大。

2 防水試驗

2.1 密封墊幾何參數

選取常用的盾構管片密封墊進行防水試驗。密封墊以三元乙丙橡膠為主要成分，采用外輪廓尺寸為47 mm×16.5 mm的多孔橡膠矩形密封圈的構造形式，其頂面寬度為36 mm，底部寬度為42 mm，高度為16.5 mm，截面內部有10個圓孔。三元乙丙密封墊橫截面圖如圖2所示。

圖2 三元乙丙密封墊橫截面圖(單位： mm)

2.2 試驗原理和裝置

為研究不同裝置材料對密封墊耐水壓力的影響，開展了密封墊在鋼制裝置和混凝土裝置中的防水試驗。

在試驗裝置溝槽中采用氯丁-酚醛膠水粘貼2個物理參數相同的三元乙丙橡膠密封墊，如圖3所示。

采用壓力機分別對鋼制裝置密封墊和混凝土裝置密封墊進行加載，通過外接水泵對密封墊的內腔施加水壓。采用水壓力表測試密封墊承受的水壓力，采用百分表測試裝置的張開量，采用壓力傳感器測試裝置所受的壓力。

(a)鋼制裝置(b)混凝土裝置

圖3 三元乙丙橡膠密封墊

Fig. 3 EPDM rubber gasket

2.3 試驗方案

將試驗裝置及剛性墊塊放置在試驗機加載板間，并安裝百分表及水壓加壓系統。在試驗機加壓至目標張開量前，記錄各級壓縮力和對應的張開量，作為裝配力的試驗數據。當試驗機加壓至目標張開量時，以每次0.01 MPa的增量施加水壓，直至水壓突破密封墊，并取上一級水壓作為耐水壓力。

3 試驗結果與分析

3.1 裝配力試驗數據分析

根據試驗數據點的數學特征，分別采用4種常見的

通過對比4個函數的擬合度可知： 倒冪函數擬合的F值和可決系數R最大，剩余標準誤差S最小，擬合性最佳。由F檢驗可知，倒冪函數、冪函數和指數函數的顯著性檢驗為高度顯著。

表1 鋼制裝置下密封墊的裝配力試驗數據擬合曲線參數及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

表2 混凝土裝置下密封墊的裝配力試驗數據擬合曲線參數及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

采用倒冪函數分別對鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊裝配力的試驗數據進行擬合，擬合曲線如圖4所示。

(a) 鋼制裝置

(b) 混凝土裝置

圖4 鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊裝配力隨張開量變化的擬合曲線

Fig. 4 Fitting curve of relationship between assembling force of sealing gasket and opening amount under steel apparatus and concrete apparatus

3.2 耐水壓力試驗數據分析

試驗得到的鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力試驗數據如圖5所示。

由圖5可以得出，不同張開量的密封墊在鋼制裝置與混凝土裝置下的耐水壓力變化規律相似。

圖5 鋼制裝置和混凝土裝置下密封墊的耐水壓力

Fig. 5 Waterproof pressures of sealing gasket under steel apparatus and concrete apparatus

為建立2種裝置材料下密封墊耐水壓力與張開量的關系，分別選用倒冪函數、冪函數、指數函數和倒指數函數對試驗數據進行擬合，并考慮2種裝置材料下張開量的差值，即對鋼制裝置下的張開量數據進行平移后，再聯合混凝土裝置下的數據進行擬合。采用MATLAB軟件編制相應的程序，然后計算出4種函數的擬合曲線參數及擬合度。MATLAB程序流程如圖6所示。

圖6 MATLAB程序流程圖

由MATLAB軟件計算得到的2種裝置下密封墊的耐水壓力擬合曲線參數及擬合度見表3。

表3 2種裝置下密封墊的耐水壓力擬合曲線參數及擬合度

注： SSR為回歸平方和; SSE為殘差平方和; SST為總偏差平方和。

通過對比4個函數的擬合度可知： 冪函數擬合的F值和可決系數R最大，剩余標準誤差S最小，擬合性最佳。根據F檢驗可知，4個函數的顯著性檢驗均為高度顯著。

通過MATLAB軟件采用冪函數繪制的混凝土裝置下耐水壓力數據與鋼制裝置下經平移后的耐水壓力數據擬合曲線如圖7所示。

圖7 混凝土裝置下耐水壓力數據與鋼制裝置下平移后的耐水壓力數據擬合曲線

Fig. 7 Fitting curve of waterproof pressure under concrete apparatus and waterproof pressure under steel apparatus after transformation

對于相同材質的密封墊，采用鋼制試驗裝置與混凝土試驗裝置得到的耐水壓力隨張開量的變化趨勢高度相似，但仍有一定的差距。根據表3的數據可知，4種函數擬合得到的位移常數c均約為2 mm，且擬合性均較好。對于三元乙丙密封墊，若采用鋼制裝置代替混凝土裝置進行耐水壓力試驗，耐水壓力所對應的張開量需減小2 mm，試驗結果方可應用于工程中。

4 結論與討論

1)根據所得的試驗數據以及理論分析，在密封墊的耐水壓力試驗中，采用鋼制裝置得到的耐水壓力高于混凝土裝置。

2)根據實際工程中密封墊受到的約束狀態，應優先考慮采用混凝土裝置進行密封墊的耐水壓力試驗。當采用鋼制裝置代替混凝土裝置進行混凝土管片密封墊的耐水壓力試驗時，所得的耐水壓力試驗數據中的張開量需要減小一定的數值方可應用于實際工程中。對于本文研究的密封墊，張開量應減少2 mm。

3)三元乙丙密封墊在2種試驗裝置下的裝配力、耐水壓力試驗數據與倒冪函數、冪函數、指數函數和倒指數函數的擬合性均較好，因此，可采用倒冪函數、冪函數、指數函數和倒指數函數4種函數對密封墊的裝配力和耐水壓力進行預測。

本文只針對一種特定的密封墊進行了防水試驗研究，下一步尚需對其他形式的密封墊進行研究。

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Study of Influence of Apparatus with Different Materials on Performance of Sealing Gasket during Waterproof Test

DONG Linwei, JIANG Yusheng, YANG Zhiyong, JIANG Hua, GAO Yong

(SchoolofMechanics&ArchitectureEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

The waterproof pressure and assembling force of the sealing gasket under steel apparatus and the concrete apparatus are studied by the theory of elasticity, so as to study the difference of the sealing gasket performance under apparatus with different materials during waterproof test. The waterproof test is carried out on the sealing gasket under steel apparatus and concrete apparatus by taking commonly used ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) gasket for example. And then the relationship between the assembling force and the opening amount and that between the waterproof pressure and the opening amount under steel apparatus and concrete apparatus are studied. The testing results indicate that: 1) The vertical stress of the sealing gasket under steel apparatus is larger than that under concrete apparatus which lead to the higher waterproof pressure of the sealing gasket under steel apparatus. 2) The curve of assembling force-opening amount and that of waterproof pressure-opening amount obtained by the two apparatuses are quite similar. 3) The opening amount should be reduced by a certain value when using the steel apparatus instead of the concrete apparatus. 4) The concrete apparatus should be used in the waterproof pressure test as many as possible. 5) The test data should be translated when using the steel apparatus instead of concrete apparatus.

shield tunnel; waterproof test; sealing gasket performance; material of apparatus; pressure of waterproof; assembling force; opening amount

2017-01-16;

2017-04-19

國家科技支撐計劃子課題(2013BAB10B02-4)； 聯合資助基金(U1261212)

董林偉(1986—)，男，山東泰安人，中國礦業大學(北京)巖土工程專業在讀博士，研究方向為城市地下工程。E-mail： dlw860210@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.08.013

U 45

A

1672-741X(2017)08-0997-06