隧道纖維混凝土襯砌抗錯(cuò)斷性能模型試驗(yàn)研究

崔光耀， 王李斌， 王明年， 王道遠(yuǎn)

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；3.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043；4.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，石家莊 050091)

我國(guó)西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)深入發(fā)展，高烈度活動(dòng)斷裂區(qū)交通隧道工程不斷涌現(xiàn)，如雅康高速二郎山隧道(穿越瀘定、二郎山及保凰等斷裂)、綿茂公路籃家?guī)r隧道(穿越龍門(mén)山支斷裂)、拉日鐵路系列隧道(穿越雅江深大斷裂、雅江北岸斷裂)、川藏鐵路系列隧道(穿越龍門(mén)山、鮮水河、金沙江、怒江、雅魯藏布江等活動(dòng)斷裂)，如圖1所示。

強(qiáng)震誘發(fā)活動(dòng)斷裂活化而發(fā)生黏滑錯(cuò)動(dòng)，造成隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重破壞[1-3]。如何提高高烈度活動(dòng)斷裂區(qū)交通隧道的震時(shí)安全性和穩(wěn)定性是亟待研究和解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

提高隧道抗錯(cuò)斷性能的措施主要有：圍巖加強(qiáng)、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、設(shè)置減錯(cuò)層、設(shè)置減錯(cuò)縫以及采用大阻尼支護(hù)結(jié)構(gòu)等。隧道襯砌結(jié)構(gòu)抵抗斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)的影響，需要襯砌結(jié)構(gòu)具有較好的抗剪、抗沖、抗折及抗拉性能。纖維混凝土因其具有增強(qiáng)、增韌、阻裂等優(yōu)異性能，成為襯砌結(jié)構(gòu)抵抗斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)的有利材料。

圖1 川藏鐵路活動(dòng)斷裂分布

Fig.1 Distribution of active faults in Sichuan-Tibet Railway

目前，鋼纖維應(yīng)用最為廣泛，但鋼纖維密度較大，在混凝土中分布極其不均，一定程度影響了纖維性能的發(fā)揮，為此可同時(shí)摻入密度較低的其他纖維共同作用。兩種或多種纖維共同摻入混凝土，可在不同階段、不同層次發(fā)揮正混雜效應(yīng)。混雜纖維混凝土既可發(fā)揮高彈模、高密度纖維(鋼纖維)的多向約束作用，也可發(fā)揮低彈模、低密度纖維(聚丙烯、玄武巖等)的阻裂作用。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)高烈度活動(dòng)斷裂區(qū)隧道的抗錯(cuò)斷技術(shù)進(jìn)行了部分研究，主要有：采用數(shù)值仿真及模型試驗(yàn)，對(duì)斷層黏滑錯(cuò)動(dòng)作用下的力學(xué)響應(yīng)及損傷機(jī)理進(jìn)行了研究[4-5]；依托Bolu隧道和Koohrangs隧道，采用數(shù)值仿真對(duì)二襯施設(shè)不同節(jié)跨比減錯(cuò)縫進(jìn)行了作用效果對(duì)比研究[6-7]；采用模型試驗(yàn)對(duì)二襯施設(shè)減錯(cuò)縫、減錯(cuò)層及二襯加厚等措施的抗錯(cuò)斷效果進(jìn)行了研究[8-10]；采用理論分析和模型試驗(yàn)，對(duì)減震層減震模型、減震機(jī)理、斷層及減震層參數(shù)敏感性進(jìn)行了研究[11-13]；采用試件試驗(yàn)及模型試驗(yàn)，對(duì)鋼纖維/玄武巖纖維混凝土的基本力學(xué)特性及襯砌的靜力承載特性進(jìn)行了研究[14-15]等。綜上所述，目前隧道抗錯(cuò)斷技術(shù)研究主要集中在減錯(cuò)縫方面，減錯(cuò)層研究較少，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方面鮮有報(bào)道。本文依托某地鐵九家灣斷裂F2-3區(qū)間隧道工程，對(duì)高烈度活動(dòng)斷裂區(qū)隧道纖維混凝土襯砌的抗錯(cuò)斷性能進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，這對(duì)高烈度艱險(xiǎn)山區(qū)交通隧道結(jié)構(gòu)安全性及穩(wěn)定性的提高具有重要的意義。

1 纖維混凝土基本力學(xué)性能

1.1 試驗(yàn)?zāi)康募胺纸M

為研究纖維混凝土增強(qiáng)、增韌的力學(xué)性能，以素混凝土、鋼纖維混凝土(steel fiber reinforced concrete,SFRC)、鋼-玄武巖混雜纖維混凝土(steel-basalt fiber reinforced concrete,SBFRC)、鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土(steel-polypropylene fiber reinforced concrete,SPFRC)為研究對(duì)象進(jìn)行試件試驗(yàn)。

通過(guò)立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究其增強(qiáng)性能，立方體抗壓強(qiáng)度試件尺寸為：100 mm×100 mm×100 mm，抗折強(qiáng)度試件尺寸為：100 mm×100 mm×400 mm；通過(guò)大板能量韌性試驗(yàn)研究其增韌性能，試件尺寸為：500 mm×500 mm×100 mm。

由于在大板能量韌性試驗(yàn)過(guò)程中，素混凝土試件破壞荷載較小，試件破壞后荷載迅速減小。因此，本次大板能量韌性試驗(yàn)僅對(duì)SFRC、SBFRC 和SPFRC試件進(jìn)行試驗(yàn)。試件纖維摻量按同體積比進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)分組見(jiàn)表1所示。

表1 試驗(yàn)分組

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1 立方體抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YES-2000型數(shù)顯壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用JES-300抗折實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3所示。

表2 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表3 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表2和表3可知，相對(duì)素混凝土，SFRC立方體抗壓強(qiáng)度提高了20.19%，抗折強(qiáng)度提高了23.54%；SBFRC立方體抗壓強(qiáng)度提高了17.11%，抗折強(qiáng)度提高了21.30%；SPFRC立方體抗壓強(qiáng)度提高了16.62%，抗折強(qiáng)度提高了20.29%。這說(shuō)明在纖維摻量同體積條件下，SFRC比SBFRC、SPFRC增強(qiáng)效果稍好，SBFRC增強(qiáng)效果略好于SPFRC。

1.2.2 大板能量韌性試驗(yàn)

大板能量韌性試驗(yàn)采用250 kN普通液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。支承鋼框平放于試驗(yàn)臺(tái)，調(diào)整其水平度并將試件放置于支座上，啟動(dòng)液壓千斤頂，采用等速位移控制(1.5 mm/min)，至方板試件中心點(diǎn)撓度達(dá)到25 mm，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所示。

表4 大板能量韌性試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，SFRC、SBFRC和SPFRC的最大荷載平均值相差無(wú)幾；裂縫數(shù)量及裂縫處纖維數(shù)量，SBFRC比SFRC增加6.01%和6.57%，SPFRC比SFRC增加7.85%和8.44%；吸收能量平均值，SBFRC比SFRC增加13.84%，SPFRC比SFRC增加18.42%。這說(shuō)明在纖維摻量同體積條件下，SBFRC、SPFRC增韌效果好于SFRC，SPFRC增韌效果稍好于SBFRC。

2 抗錯(cuò)斷模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 依托工程概況

某地鐵線路全長(zhǎng)26.5 km，共設(shè)車(chē)站21座，線路由南向北依次穿越四組活動(dòng)斷裂，如圖3所示。依托九家灣斷裂F2-3區(qū)間隧道工程開(kāi)展模型試驗(yàn)研究，該斷裂為全新世活動(dòng)正斷裂，傾角70°。隧道斷面為馬蹄形，跨度×高度=8.573 m×9.120 m。初支采用C25噴射混凝土(厚30 cm), 二襯采用C35模注混凝土(厚60 cm)。

圖3 線路區(qū)域大地構(gòu)造

2.2 試驗(yàn)分組及設(shè)備

2.2.1 試驗(yàn)分組

為研究纖維混凝土隧道襯砌的抗錯(cuò)斷性能，開(kāi)展了四組室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行研究。試驗(yàn)分組見(jiàn)表5所示。

表5 試驗(yàn)分組

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用傾斜正斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)箱(自行設(shè)計(jì)，長(zhǎng)×寬×高=2.5 m×2.5 m×2.0 m)進(jìn)行，試驗(yàn)箱由可活動(dòng)的上盤(pán)部分和固定的下盤(pán)部分組成，斷裂傾角為70°，如圖4所示。

傳感器主要采用微型壓力盒、直角應(yīng)變花和應(yīng)變片，數(shù)據(jù)采集采用東華靜態(tài)應(yīng)變采集儀。

圖4 傾斜正斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)試驗(yàn)箱

2.3 試驗(yàn)相似比及相似材料

2.3.1 試驗(yàn)相似比

根據(jù)隧道及試驗(yàn)箱尺寸，并考慮盡可能消除試驗(yàn)箱邊界效應(yīng)，試驗(yàn)箱寬度應(yīng)大于7倍隧道跨度，即隧道模型跨度應(yīng)小于2.5/7≈0.357 m，幾何相似比應(yīng)大于8.573/0.357≈24.01，取為30。考慮到重度相似配套，彈模相似比取為45。其他相關(guān)物理量根據(jù)相似理論可推導(dǎo)得出，如表6所示。

表6 其他相關(guān)物理量相似比

2.3.2 試驗(yàn)相似材料

圍巖相似材料由河砂、粉煤灰及機(jī)油的熱融混合料模擬，各組分重量配比根據(jù)正交試驗(yàn)確定，機(jī)油∶河砂∶粉煤灰=1∶3∶6。圍巖相似材料基本力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表7所示。

表7 圍巖相似材料基本力學(xué)參數(shù)

采用石膏摻和料(水膏比為0.676)模擬二襯，彈性模量和抗壓強(qiáng)度為相似控制指標(biāo)；在石膏摻和料中按比例摻入試驗(yàn)用鋼纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維，模擬SFRC、SBFRC 和SPFRC二襯；防水板采用聚乙烯膜模擬；采用兩層PVC塑料板(中間均勻涂以黃油)模擬斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)的作用效果， 如圖5所示。

(a) 鋼纖維

(b) 玄武巖纖維

(c) 聚丙烯纖維

(d) 模型澆注

(e) 拆模

(f) 防水板與初支

(g) 黏滑斷裂模擬

2.4 試驗(yàn)量測(cè)布置

試驗(yàn)量測(cè)布置如圖6所示。在各量測(cè)斷面拱頂布設(shè)微型壓力盒(Y，圍巖與初支間)、橫向應(yīng)變片(H，二襯內(nèi)外側(cè)成對(duì)布設(shè))、縱向應(yīng)變片(L，二襯外側(cè))和直角應(yīng)變花(Z，二襯外側(cè))，在邊墻中部和仰拱中部布設(shè)微型壓力盒。

(a) 量測(cè)斷面(mm)

(b) 測(cè)點(diǎn)布置

布設(shè)微型壓力盒主要測(cè)試圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的接觸應(yīng)力；二襯內(nèi)外側(cè)成對(duì)布設(shè)橫向應(yīng)變片主要測(cè)試結(jié)構(gòu)的內(nèi)力；二襯外側(cè)布設(shè)縱向應(yīng)變片主要測(cè)試結(jié)構(gòu)的縱向應(yīng)變；二襯外側(cè)布設(shè)直角應(yīng)變花主要測(cè)試結(jié)構(gòu)的主應(yīng)力。

2.5 試驗(yàn)實(shí)施

(1) 通過(guò)試驗(yàn)箱上盤(pán)底部四角設(shè)置的5 t千斤頂將上盤(pán)箱體抬升5 cm(該工程百年保守預(yù)測(cè)地表錯(cuò)動(dòng)量為1.5 m)。

(2) 逐層(0.2 m/層)填夯圍巖相似材料至隧道仰拱外皮標(biāo)高處，布設(shè)二襯模型、防水板及初支，并安設(shè)置微型壓力盒等測(cè)試傳感器。

(3) 同時(shí)放下上盤(pán)底部的4個(gè)千斤頂，上盤(pán)巖體及隧道沿錯(cuò)動(dòng)面發(fā)生黏滑錯(cuò)動(dòng)，采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束。

3 抗錯(cuò)斷模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 主應(yīng)力

提取各工況試驗(yàn)后各量測(cè)斷面直角應(yīng)變花量測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)主應(yīng)力，如圖7所示(橫坐標(biāo)正數(shù)部分為上盤(pán)，橫坐標(biāo)負(fù)數(shù)部分為下盤(pán))。

(a) 第一主應(yīng)力

(b) 第三主應(yīng)力

提取各工況第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力的最大值，計(jì)算纖維混凝土襯砌的抗錯(cuò)斷效果(相對(duì)素混凝土襯砌)，見(jiàn)表8所示。

由圖7及表8可知：

(1) 試驗(yàn)后，各工況斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力峰值均位于上盤(pán)部分，上盤(pán)隧道結(jié)構(gòu)主應(yīng)力受黏滑錯(cuò)動(dòng)影響大于下盤(pán)。

表8 主應(yīng)力抗錯(cuò)斷效果

(2) 纖維混凝土襯砌(工況2～工況4)主應(yīng)力抗錯(cuò)斷效果較好，達(dá)30%～40%。第一主應(yīng)力抗錯(cuò)斷效果優(yōu)于第三主應(yīng)力。

(3) 混雜纖維混凝土襯砌(工況3～工況4)主應(yīng)力抗錯(cuò)斷效果優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌(工況2)。工況4(SPFRC)主應(yīng)力抗錯(cuò)斷效果最優(yōu)，略?xún)?yōu)工況3(SBFRC)。

3.2 縱向應(yīng)變

提取各工況試驗(yàn)后各量測(cè)斷面縱向應(yīng)變片量測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變?cè)黾颖稊?shù)，如圖8所示。

(a) 工況1～工況4

提取各工況縱向應(yīng)變?cè)黾颖稊?shù)的最大值，計(jì)算纖維混凝土襯砌的抗錯(cuò)斷效果(相對(duì)素混凝土襯砌)，見(jiàn)表9所示。

由圖8及表9可知：

(1) 試驗(yàn)后，各工況斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變?cè)黾颖稊?shù)峰值均位于上盤(pán)部分，上盤(pán)隧道結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)變受黏滑錯(cuò)動(dòng)影響大于下盤(pán)。

表9 縱向應(yīng)變抗錯(cuò)斷效果

(2) 纖維混凝土襯砌(工況2～工況4)縱向應(yīng)變抗錯(cuò)斷效果達(dá)80%～90%。混雜纖維混凝土襯砌(工況3～工況4)縱向應(yīng)變抗錯(cuò)斷效果優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌(工況2)。工況4(SPFRC)縱向應(yīng)變抗錯(cuò)斷效果最優(yōu)，略?xún)?yōu)工況3(SBFRC)。

3.3 接觸應(yīng)力

提取各工況試驗(yàn)后各量測(cè)斷面拱頂測(cè)點(diǎn)微型壓力盒量測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的接觸應(yīng)力增加倍數(shù)，如圖9所示。

圖9 接觸應(yīng)力增加倍數(shù)

提取各工況接觸應(yīng)力增加倍數(shù)的最大值，計(jì)算纖維混凝土襯砌接觸應(yīng)力增加倍數(shù)最大值的增大百分比(相對(duì)素混凝土襯砌)，見(jiàn)表10所示。

表10 接觸應(yīng)力增加倍數(shù)最大值的增大百分比

由圖9及表10可知：

(1) 試驗(yàn)后各工況斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)造成的接觸應(yīng)力增加倍數(shù)，上盤(pán)部分大于下盤(pán)部分，這說(shuō)明斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)上盤(pán)隧道接觸應(yīng)力的影響大于下盤(pán)。

(2) 由于纖維混凝土具有增強(qiáng)、增韌的力學(xué)特點(diǎn)，纖維混凝土襯砌限制圍巖應(yīng)力釋放的作用較素混凝土襯砌強(qiáng)，工況2～工況4接觸應(yīng)力增加倍數(shù)的最大值均比工況1有所增加，增大百分比達(dá)到20%～30%。

(3) 在三種纖維混凝土中，SPFRC增強(qiáng)效果最弱、增韌效果最佳，工況4接觸應(yīng)力增加倍數(shù)最大值最小，為38.53倍；SFRC增強(qiáng)效果最佳、增韌效果最弱，工況2接觸應(yīng)力增加倍數(shù)最大值最大，為39.94倍。

3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取各工況試驗(yàn)后各監(jiān)測(cè)斷面拱頂測(cè)點(diǎn)內(nèi)外側(cè)橫向應(yīng)變片量測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)[16-17]，如圖10所示。

圖10 安全系數(shù)

矩形截面軸心及偏心受壓構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度：

KN≤φαRabh

(1)

矩形截面偏心受壓構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度：

(2)

式中:b為截面寬度，取1 m；h為截面厚度；N為結(jié)構(gòu)軸力；Ra為混凝土抗壓極限強(qiáng)度；Rl為混凝土抗拉極限強(qiáng)度；K為安全系數(shù)；φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力偏心影響系數(shù)。

提取各工況安全系數(shù)的最小值，計(jì)算最小值增加倍數(shù)(相對(duì)素混凝土襯砌)，如表11所示。

表11 安全系數(shù)最小值增加倍數(shù)

由圖10及表11可知：

(1) 試驗(yàn)后各工況結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值均位于上盤(pán)隧道部分，這說(shuō)明斷裂黏滑錯(cuò)動(dòng)對(duì)上盤(pán)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響大于下盤(pán)。

(2) SFRC、SBFRC、SPFRC襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值分別為1.39、1.55、1.62，比素混凝土襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值(0.33)分別增加了4.22倍、4.68倍和4.89倍。混雜纖維混凝土襯砌(工況3～工況4)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值增加倍數(shù)優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌(工況2)。

(3) 混雜纖維混凝土襯砌(工況3～工況4)抗壓強(qiáng)度弱于鋼纖維混凝土襯砌(工況2)，韌性強(qiáng)于鋼纖維混凝土襯砌，結(jié)構(gòu)安全性?xún)?yōu)于鋼纖維混凝土襯砌。故在提高隧道抗錯(cuò)斷性能方面，纖維混凝土的增韌作用強(qiáng)于增強(qiáng)作用。

4 結(jié) 論

(1) 在纖維摻量同體積條件下，SFRC比SBFRC、SPFRC增強(qiáng)效果稍好， SBFRC、SPFRC增韌效果好于SFRC；SBFRC增強(qiáng)效果略好于SPFRC，SPFRC增韌效果稍好于SBFRC。

(2) 隧道纖維混凝土襯砌主應(yīng)力抗錯(cuò)斷效果達(dá)30%～40%，第一主應(yīng)力抗錯(cuò)斷效果優(yōu)于第三主應(yīng)力；縱向應(yīng)變抗錯(cuò)斷效果達(dá)80%～90%；接觸應(yīng)力增加倍數(shù)最大值增大百分比達(dá)20%～30%；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值增加倍數(shù)達(dá)4倍～5倍。

(3) 隧道混雜纖維(SBFRC、SPFRC)混凝土襯砌主應(yīng)力、縱向應(yīng)變、結(jié)構(gòu)內(nèi)力抗錯(cuò)斷效果優(yōu)于鋼纖維混凝土襯砌，SPFRC襯砌結(jié)構(gòu)抗錯(cuò)斷安全性最高。

(4) 混雜纖維混凝土襯砌抗壓強(qiáng)度弱于鋼纖維混凝土襯砌，韌性強(qiáng)于鋼纖維混凝土襯砌，結(jié)構(gòu)安全性強(qiáng)于鋼纖維混凝土襯砌。故在提高隧道抗錯(cuò)斷性能方面，纖維混凝土的增韌作用強(qiáng)于增強(qiáng)作用。