盾構管片接縫傳力墊層的接觸特性試驗研究

張振宇， 李豪杰， 李朝君， 賈長恒， 馮吉利

(1. 中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 北京 100083；2. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083；3. 重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074)

盾構管片接縫傳力墊層的接觸特性試驗研究

張振宇1, 2， 李豪杰1, 2， 李朝君3， 賈長恒1, 2， 馮吉利1, 2

(1. 中國礦業大學(北京) 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 北京 100083；2. 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083；3. 重慶交通大學土木工程學院， 重慶 400074)

為了研究盾構管片接縫的接觸特性，采用帶有橡膠墊層的混凝土試件來模擬盾構管片和橡膠墊層，通過加卸載條件下的直剪試驗和單軸壓縮試驗，探究盾構管片接縫和接頭處的切向和法向接觸特性。由試驗結果可知： 1)接觸面剪切應力隨剪切位移的變化過程可以分為彈性變形、彈塑性變形和應變軟化3個階段，剪切峰值應力的殘余百分比為55%～65%; 2)橡膠墊層在混凝土之間起到了良好的緩沖作用，對管片的失穩破壞過程有一定的延緩作用; 3)根據試驗結果得出管片混凝土強度等級為C50、傳力墊層厚度為2 mm時接觸面的切向和法向接觸剛度，為盾構管片接縫傳力墊層接觸摩擦特性的分析計算提供參考。

盾構管片； 接縫和接頭； 接觸摩擦； 橡膠墊層； 接觸剛度

0 引言

接觸摩擦在實際工程中普遍存在，屬于非線性問題，也是相對困難的重要研究課題[1]。正確分析接觸面受力變形機制、剪切破壞發生位置、接觸面應力-應變關系和載荷傳遞過程等，對于科學描述含接觸面工程問題的力學研究是十分重要的。國內外許多學者對不同的接觸問題進行了相關研究： Lam等[2]通過混凝土與巖石接觸條件下的大型直剪試驗，分析了規則三角形接觸面的剪切特性； Maitra等[3]通過試驗研究了典型混凝土路面混凝土板與路基在不同接觸條件(光滑接觸和粗糙接觸)下的接觸摩擦作用； Jiang等[4]研究了新舊混凝土加固溝槽接觸面的剪切摩擦特性； 李永輝等[5]研究了超長灌注樁樁側與土體接觸截面的剪切力學行為； 孫厚超等[6]通過試驗研究了凍土與結構接觸界面層的力學變形行為； 趙春風等[7]通過大型結構剪切試驗研究了考慮法向應力歷史的黏土與混凝土接觸界面的剪切力學特性。此外，工程中巖土體和結構會處于反復加卸載狀態， Fishman[8]通過試驗分析了理想巖石節理在循環加卸載條件下的接觸特性。

在目前的盾構隧道中，盾構管片由幾塊預制的鋼筋混凝土塊體拼裝組成，管片塊體與塊體之間存在接縫、環與環之間存在接頭，在接縫和接頭處管片塊體上均帶有傳力橡膠墊層。隧道開挖和運營過程中，盾構管片經受加載和卸載過程，使得接縫和接頭處管片塊體間產生接觸摩擦作用，對盾構管片的穩定性有很大影響[9-12]。管片接縫和接頭處的橡膠墊層為超彈性材料，對接縫和接頭處的接觸摩擦作用有很大影響。文獻[13-14]在研究管片接縫對管片的影響作用時考慮了接縫處的止水橡膠墊層和傳力橡膠墊層，研究結果表明添加橡膠墊層的管片接頭剛度為不添加橡膠墊層管片接頭剛度的1/3～1/5，管片接頭剛度隨著接頭荷載的增加表現出明顯的非線性。張建剛等[15]研究了不同承壓墊層條件下的管片接頭端面應力分布特性，結果表明承壓墊層對端面壓應力分布有很大影響。

由于接觸本身為高度非線性問題，加之與超彈性橡膠墊層聯合在一起，導致解析值不能準確反映管片接縫和接頭處的接觸摩擦特性，同時對管片接縫和接頭接觸摩擦相關的試驗研究較少。因此，本文采用帶有橡膠墊層的混凝土試件來模擬盾構管片和橡膠墊層，通過加卸載條件下的直剪試驗和單軸壓縮試驗來研究帶有橡膠墊層的混凝土接觸面的力學性能，以期為盾構隧道管片接縫和接頭的計算分析提供科學依據。

1 試驗設計和方法

1.1試驗儀器

直剪試驗儀器主要由加載裝置和剪切盒組成。其中加載裝置采用中國礦業大學(北京)深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室的深部巖石非線性力學試驗系統，如圖1所示。該加載系統可同時在X、Y、Z3個方向進行加載，3個方向最大加載值為50、45、45 kN，試驗過程中通過頂部和兩側位移的荷載監測裝置，得出試驗過程中試件的荷載、位移與時間的關系曲線。剪切盒由上下2部分組成，尺寸為320 mm×160 mm×145 mm，剪切盒上部和下部的內部尺寸均為110 mm×110 mm×50 mm，試驗過程中在剪切盒內添加鋼墊塊將試驗試件固定。單軸壓縮試驗通過單軸壓縮試驗機進行，最大加載荷載為2 000 kN。

圖1 試驗加載裝置

1.2試樣制備

試驗試件主要有混凝土塊體和橡膠墊層。混凝土塊體參照盾構混凝土管片制作的配比要求進行澆筑制作，尺寸為100 mm×100 mm×50 mm(誤差±1 mm)，混凝土強度等級為C50。橡膠墊層采用盾構隧道管片中常用的傳力橡膠墊層，為不可壓縮超彈性材料，厚度為2 mm，截面尺寸為100 mm×100 mm(誤差±1 mm)，與混凝土試件表面尺寸相同。試驗中將橡膠墊層粘貼在混凝土試件上，以此來模擬盾構隧道管片和橡膠墊層，帶有橡膠墊層的混凝土試件如圖2所示。

圖2 帶有橡膠墊層的混凝土試件

1.3試驗設計及方法

試驗中采用帶有橡膠墊層的混凝土試件來模擬盾構管片和橡膠墊層，通過試件的直剪試驗和單軸壓縮試驗來研究盾構管片接縫的接觸特性。在設計試驗軸向荷載時，首先利用地層結構法，建立二維有限元模型，對埋深22.6 m的隧道管片受力性態進行簡要的數值計算。模型中管片厚度為0.3 m，寬為1.2 m，外徑為3 m，計算時采用均值圓環模型。分析不同截面受力性態，得出管片截面壓應力范圍為1.5～17 MPa。直剪試驗中設計軸向應力為7 MPa和10 MPa 2種工況，每組應力條件均做2組平行試驗。為了計算接觸面的法向和切向接觸剛度，試驗中根據剪切應力值和軸向應力值分別設計了幾次加卸載操作，具體見下述各試驗方法。

1)直剪試驗方法： 試驗采用荷載控制的加載方式進行軸向加載，加載速率為0.5 kN/s，加載完成后，保載3 min；采用位移控制的加載方式進行水平(剪切方向)加載，加載速率為0.02 mm/s，當剪切應力達到 0.5 MPa時，進行卸載，再加載。此后每隔0.5 MPa均進行卸載再加載操作，直至剪切應力達到峰值。在剪切應力達到峰值過后，再進行2次加卸載操作。

2)單軸壓縮試驗方法： 試驗采用荷載控制的加載方式進行加卸載，加載速率為0.3 mm/s。當軸向應力分別達到1、5、10、20、40 MPa時進行卸載再加載操作，當軸向應力達到峰值過后，再進行2次加卸載操作。

2 試驗結果分析

2.1直剪試驗結果分析

2.1.1 剪切應力與剪切位移的關系

圖3和圖4分別示出軸向應力為7 MPa和10 MPa加卸載條件下剪切應力與剪切位移的關系曲線，分別提取試驗的軸向應力、峰值應力以及殘余剪切應力等試驗結果進行分析，試驗結果見表1。

(a) 第1組試驗

(b) 第2組試驗

Fig. 3 Relationships between shear stress and shear displacement (axial stress of 7 MPa)

(a) 第3組試驗

(b) 第4組試驗

Fig. 4 Relationships between shear stress and shear displacement (axial stress of 10 MPa)

表1 試驗結果

由表1分析試驗結果可知：

1)不同軸向應力條件下剪切應力與剪切位移關系曲線形式基本相似，剪切應力隨剪切位移的變化過程基本可以分為彈性變形、彈塑性變形和應變軟化3個階段。這主要是由于接觸面在軸向應力作用下具有一定的黏聚作用，當剪切位移較小時，接觸面的黏聚作用大于剪切作用，剪切向應力隨剪切位移的增加呈線性增長，直至剪切應力在此階段達到峰值。而當接觸面剪切作用超過接觸面橡膠墊層間的黏聚作用時，接觸面試件間將產生相對位移，由于橡膠墊層材料的特性，剪切應力值隨著剪切位移增加開始逐漸減小，出現應變軟化現象。

2)剪切應力由峰值逐漸減小到殘余應力值， 2種軸向應力條件下峰值應力的殘余百分比為55%～65%。

3)橡膠墊層盡管很薄，但是作為典型的柔性材料，在混凝土之間起到良好的緩沖作用。接觸面的應力變形會伴有明顯的軟化變形階段，因此混凝土接縫或接頭處的橡膠墊可以有效避免應力集中，并緩沖管片的失穩破壞過程。

4)試驗結果中，軸向應力為7 MPa的2組試驗結果相差較小，而軸向應力為10 MPa的2組試驗結果中剪切峰值應力和殘余應力相差較大。這主要是由于試驗試件均由混凝土塊體和橡膠墊層通過人工粘貼而成，粘結質量受人為因素影響，在試驗過程中橡膠墊層與混凝土塊體之間可能出現相對錯動，導致試驗結果出現離散現象。

2.1.2 切向接觸剛度計算

接觸面的法向和切向接觸剛度常用來描述接觸面的受力變形特性，二者通常根據應力-位移曲線起始階段的斜率確定，但是對于在加載開始就產生塑性變形的情況，很難再采用上述方法確定接觸剛度系數。Desia等[16]提出利用應力與位移曲線中的卸載曲線的斜率來計算相應的接觸面剛度。根據此方法對帶有橡膠墊層混凝土的接觸面的切向接觸剛度進行計算，不同工況下的計算結果見表2。由于粘貼質量的不同，導致試驗結果出現離散現象，但不同軸向應力條件下計算的切向接觸剛度相差較小，切向剛度平均值為2.03 MPa/mm。

表2 切向接觸剛度

2.2單軸壓縮試驗結果分析

2.2.1 軸向應力與軸向位移的關系

圖5示出帶有橡膠墊層混凝土的接觸面在循環加卸載條件下的軸向應力與軸向位移關系曲線。由圖可知：

1)當軸向位移較小時，軸向應力增加緩慢。這主要是由于混凝土試件上帶有橡膠墊層，其抗壓強度小于混凝土抗壓強度。在軸向應力作用下，橡膠墊層首先產生塑性變形，起到了很好的緩沖作用；并且由于試件的平整度不足，接觸面處存在一定的空隙，在壓縮過程中空隙得以壓實，使得在初始壓縮位移時接觸面的軸向應力增加幅度較小。

2)隨著軸向位移增大，軸向應力增加幅度明顯變大。這主要是由于隨著軸向應力的增大，橡膠墊層變形已達到極限，此時剛度較大的混凝土試件開始產生變形。

3)當軸向應力達到峰值強度后，隨著軸向位移的增加，混凝土試件開始發生破壞，軸向應力急劇下降，并出現階梯狀下降。這主要是由于橡膠墊層具有緩沖作用，對管片的失穩破壞具有一定延緩作用。

(a) 第1組試驗

(b) 第2組試驗

2.2.2 法向接觸剛度計算

對比2組試驗結果可發現，第1組試驗軸向應力峰值明顯小于第2組試驗，這主要是由于混凝土試件表面平整度不足，壓縮過程中可能出現應力集中現象，使得試件產生局部破壞，從而使得軸向峰值應力較小。

同樣根據上述切向接觸剛度的計算方法來計算法向接觸剛度，2組試驗計算法向接觸剛度分別為36、35.7 MPa/mm，二者平均值為35.85 MPa/mm。

3 結論與討論

通過帶有橡膠墊層混凝土的直剪和單軸壓縮試驗，探究了帶有橡膠墊層混凝土接觸面的接觸特性，主要得出以下結論：

1)帶有橡膠墊層混凝土的接觸面剪切應力隨剪切位移變化過程基本可以分為彈性變形、彈塑性變形和應變軟化階段。

2)橡膠墊層作為典型的柔性材料，在混凝土之間起到了良好的緩沖作用，使接觸面的應力變形伴有明顯的軟化變形階段，可以有效避免應力集中，緩沖管片的失穩破壞過程。

3)當管片混凝土強度等級為C50、傳力墊層厚度為2 mm時，傳力墊層接觸面間的法向和切向接觸剛度分別為35.85 MPa/mm和2.03 MPa/mm，為盾構管片接縫和接頭處接觸摩擦特性的分析計算提供參考。

為了能夠更好地描述管片接縫和接頭處的接觸特性，建議考慮接觸面的尺寸效應，通過與管片接縫和接頭處相同形式的直剪和單軸壓縮試驗來研究接觸面的接觸摩擦效應，這對分析接縫和接頭對管片穩定性的影響具有重要意義。

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ExperimentalStudyofContactCharacteristicsofRubberCushionUsedinShieldSegmentJoints

ZHANG Zhenyu1, 2, LI Haojie1, 2, LI Chaojun3, JIA Changheng1, 2, FENG Jili1, 2

(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China; 2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China; 3.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

The shield segment and rubber cushion are simulated by concrete specimens with rubber cushion to study the contact characteristics of shield segment joints. The contact characteristics of the joints of shield segment are investigated by direct shear test and uniaxial compression test under cyclic loading and unloading conditions. The test results show that: 1) The shearing process can be divided into elastic deformation, elastoplastic deformation and strain softening stage; and the residual percentage of the peak shear stress is about 55%- 65%. 2) The rubber cushion plays a good buffer role between the concretes, which may delay the buckling failure of the tunnel segments. 3)The normal and tangential contact stiffness of the contact surface is obtained when the concrete strength of the tunnel segments is C50 and the thickness of the cushion is 2 mm, so as to provide reference for analyzing and calculating the contact friction of the cushion.

shield segment; joints; contact friction; rubber cushion; contact stiffness

2017-01-12;

2017-09-07

國家自然科學基金(U1261212)； 國家博士后面上基金(2016M592888XB)； 重慶市博士后基金(Xm2016055)

張振宇(1989—)，男，河北唐山人，中國礦業大學(北京)巖土工程專業在讀博士，研究方向為地下結構穩定性分析。E-mail: zhangzhenyu891011@163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.007

U 45

A

2096-4498(2017)11-1404-05