垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結構設計與試驗研究

曹鐘元

摘要：推廣高強鋼筋在工程建設中的應用，能夠有效提升鋼筋混凝土結構和預應力混凝土結構的安全性、經濟性、靈活性和適用性，符合國家節能減排的基本國策，有助于實現建筑業節能降耗、綠色環保的發展目標，但我國現行《混凝土結構設計規范》對500MPa級以上鋼筋在混凝土結構中的應用尚未做出規定，這使得其在使用時缺乏設計、施工依據，極大地阻礙了高強鋼筋在工程建設中的推廣。基于此，本文以某輸油管道工程高壓、大口徑錨固法蘭設計為例，通過有限元對比分析對錨固法蘭結構進行設計優化。

關鍵詞：垃圾填埋場;襯墊層;錨固結構;模型試驗;錨固能力

引言

錨固法蘭是大口徑、高內壓、遠程輸氣（油）管道系統中的一種關鍵部件，焊裝于輸氣（油）主管道上，并用水泥墩固定，半埋或全埋于地下，多設置在管道的入土端和出口端，用以防止由自重、內壓、溫差、管道走向與方位變化等綜合作用力引起的管線過量位移，起到固定管道、約束管道軸向位移、保護站內地面管道和設備等作用。

1垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結構的設計

項目設計的垃圾填埋場襯墊層榫卯式錨固結構如圖1所示，主要構件包括基錨固塊、輔錨固塊、栓桿、限位樁等，均由鋼筋混凝土材料預制而成。限位樁通過預留限位樁孔插入至垃圾填埋場邊坡坡頂或中間平臺下部地基中。基錨固塊和輔錨固塊均設有榫頭、卯槽和半圓形凹槽，榫頭、卯槽和半圓形凹槽的半徑考慮襯墊層厚度并與之相匹配。由土工膜和設置在土工膜兩側的土工布構成的垃圾填埋場襯墊層從基錨固塊和輔錨固塊間穿過，通過栓桿將基錨固塊和輔錨固塊固定，使兩者通過擠壓作用夾緊襯墊層。最終，襯墊層通過基錨固塊和輔錨固塊的自重以及限位樁的限位作用被固定在填埋場邊坡地基上，限位樁預制長度考慮實際工程地基土質條件，根據單樁水平承載力計算確定。設計的填埋場襯墊層榫卯式錨固結構可采用工廠化預制，現場裝配式施工。部件進行標準化制作可替代傳統混凝土灌注固定方法，提高工作效率、縮短工期，從而解決工期長、維修加固困難等問題，在固定襯墊層的同時，可保持襯墊層的完整性，避免引起滲漏。

2試件設計

為了獲取鋼筋沿錨固區段的應力、應變分布情況，制作梁式試件前，先將用于試驗的鋼筋沿長度方向剖為兩半，并在鋼筋內部加工凹槽，鋼筋內部凹槽截面尺寸為4mm（寬）×2mm（高）。根據錨固長度（5d、7d、10d）分別在鋼筋凹槽內部交叉布置（5個、7個、10個）應變片，最后采用環氧樹脂膠灌滿凹槽將鋼筋合攏粘結，并在非錨固區段點焊加強。梁式試件參考制作，試件尺寸為150mm（寬）×240mm（高）×1260mm（長），混凝土梁內未粘結鋼筋通過PVC套筒隔離。以混凝土強度、鋼筋直徑和錨固長度為參數。

3榫卯式錨固結構加載試驗

3.1試驗裝置與加載制度

采用具有自主研發的載裝置，可實現多筋植筋的拉拔試驗，采用500kN液壓千斤頂和500kN荷載傳感器加載。加載制度如下所述。（1）預加載：為了保證多筋植筋的每根植筋的受力均勻，在正式開始試驗前，施加預估峰值荷載2%的荷載，利用每根植筋上粘貼的應變片，判斷植筋是否均勻受力。若每根植筋的應變相同或相近，可以認為植筋均勻受力，否則應通過植筋上的預應力螺母進行調整，直至滿足要求為止。（2）正式加載：峰值荷載前采用荷載控制加載，荷載增量ΔP約為預估峰值荷載的2%;峰值荷載后改為位移控制加載，通過控制液壓千斤頂的加載桿數，基本保證每次加載位移相同，直至拉拔試驗結束。

3.2試驗加載過程

錨固塊對襯墊層的壓力及摩擦力是決定錨固作用能否達到的關鍵，所以，試驗過程中重點關注襯墊層承受的拉力和被拉出的程度。試驗步驟如下：（1）調整拉力機拉桿伸出距離，以拉緊襯墊層，采集系統位移試驗力清零，在襯墊層試樣上標記控制點，作為襯墊層拔出長度的測點;（2）開啟電動伺服缸開始加載，以5mm/min的速度拖拽襯墊層施加拉力，采集系統自動記錄拉力與拖拽距離數據;（3）試驗過程中，觀察錨固結構位置變化情況，記錄主要標志點變位值;（4）考慮到加載設備安全，當拉力達到峰值或5kN時停止加載，測量襯墊層從錨固結構內的拔出量。

3.3測試內容和測量方法

拉拔荷載值：采用500kN液壓千斤頂及配套的載荷儀（WH-1000型）測讀，在試驗前應對液壓千斤頂和載荷儀配套標定;（2）植筋鋼筋應變：在每根植筋鋼筋上均黏貼應變片，用作試件對中及測量拉拔加載過程中植筋應變的變化規律;（3）混凝土基體表面位移：在植筋兩側對稱布置兩個位移計①測讀混凝土基體表面位移;（4）植筋的位移：在植筋上固定制作的表架，對稱布置兩個位移計②測讀植筋的位移;（5）植筋端部的位移：在每個植筋的端部布置1個位移計③，測讀植筋端部位移;（6）加載板頂部的位移：在加載板的頂部對稱布置兩個位移計④，測讀加載板的位移。所有應變片及位移計均通過DN3821型號靜態電阻應變儀采集儀采集。

4試驗結果分析

4.1粘結-滑移特性

T63高強鋼筋與HRB400鋼筋表現出較為一致的粘結滑移特性，兩類鋼筋的粘結-滑移曲線變化規律基本一致，隨著荷載增加依次經歷了彈性段、滑移段、內裂段、下降段及穩定段。彈性階段，鋼筋與混凝土間未產生明顯相對滑移，粘結力主要由兩者間的膠結力提供，曲線斜率接近無窮大;滑移段，鋼筋產生滑動，橫肋間混凝土受到擠壓產生變形，粘結力主要由機械咬合力和摩擦力提供，曲線斜率基本穩定;內裂段，鋼筋橫肋間混凝土壓潰，混凝土內部產生沿橫肋方向的徑向裂縫，鋼筋滑移量增大，曲線斜率下降，直至達到峰值荷載;下降段，峰值荷載后，混凝土內部徑向裂縫逐漸延伸至表面，粘結應力迅速降低;穩定段，粘結應力下降至峰值應力60%左右時，應力基本保持穩定，滑移量持續增長，此時試件已完全破壞，粘結力僅由鋼筋與混凝土間的摩擦力提供。

4.2錨固力出現震蕩階段（1300N以上）

此階段襯墊層與基錨固塊、輔錨固塊與栓桿間出現微小滑移，基錨固塊下部混凝土出現裂縫，基錨固塊與輔錨固塊間距離局部增大，錨固力出現震蕩現象并最終達到峰值。考慮錨固結構模型厚度，試驗中錨固結構平穩受力階段所能達到的錨固力（約6.5kN/m）已超過一般工程所需的大小（0.8～3.0kN/m），此時土工膜應力為4.3MPa，遠小于其抗拉強度，說明項目設計的榫卯式錨固結構具有足夠的錨固能力，能夠滿足工程需要，設計所考慮的固定機理充分發揮了作用。

結束語

綜上所述，無墊片法蘭計算模型對錨固法蘭結構尺寸的初步尺寸確定是合理的，ANSYS數值模擬分析確定了錨固法蘭的頸部為應力集中部位。采用法蘭頸部兩級平滑過渡的方法，可以有效地消除應力集中。

參考文獻

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