超高性能混凝土在隧道衬砌加固中的应用.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-03-02作者简介：赵铭伟（1983），男，山西长治人，高级工程师，研究方向为桥梁隧道加固维修。超高性能混凝土在隧道衬砌加固中的应用赵铭伟（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030012）摘要：为了探究超高性能混凝土在隧道衬砌加固中的应用效果，首先对超高性能混凝土的抗压、抗拉性能进行了试验研究，并对其结构加固极限承载力进行了足尺试验。试验结果表明：超高性能混凝土材料的力学性能与养护湿度关联性较弱，材料存在明显应变强化现象；超高性能混凝土用于隧道衬砌加固的效果主要受管片接头位置性能控制；超高性能混凝土自身材料性能能够充分发挥，但原有隧道管片材料的性能未能充分发挥。关键词：超高性能混凝土；隧道衬砌；结构性能中图分类号：U457.3文献标识码：B0 引言超高性能混凝土是一类强度大、韧性好、弹性模量高且空隙小的水泥基材料，目前在建筑、桥梁结构中已经得到了广泛应用，为隧道结构加固提供了新思路1。本文以超高性能混凝土为研究对象展开试验研究，明确其加固机理，根据定量分析结果，为后续相关研究提供理论支撑。1 试验方案1.1 超高性能混凝土性能试验1.1.1 原材料超高性能混凝土的原材料及其配比如图1所示。在预混料中掺加适量水持续搅拌2 min至流化状态，随后掺加钢渣纤维搅拌2 min。1.1.2 试件选择由于加固作业实际养护环境与实验室标准养护条件之间存在显著差异，为明确不同养护条件对于材料强度的影响，本文选择标准养护条件、加固施工环境条件分别测定材料性能。试验分别采用抗压、抗拉指标进行评价。抗压试件尺寸为 100 mm100 mm100mm，共设置6组，各组包含3个试件，3组试件按照标准养护条件进行室内养护，在7 d、14 d及28 d分别测定抗压强度；另外3组试件按照加固施工环境条件养护至28 d后测定其抗压强度。抗拉试件两端分别以试验夹具进行固定，试件中间段的截面尺寸为50 mm100 mm，抗拉试验共设置2组，各组包含3个试件，一组试件按照标准养护条件进行室内养护至试验龄期（18 d）；另外一组试件按照加固结构环境条件养护至28 d。1.1.3 试验方案分别选用万能试验机、拉伸试验机完成抗压、抗拉试验。其中抗压试验按照1.2 MPa/s速度加载，同时测定、记录试件的极限应力值，将其作为抗压强度；抗拉试验按照0.005 mm/s速度加载，采用应变计测定，应变计标距为150 mm，得到试件应力-应变曲线，并记录试件在加载过程中表观裂缝的发展情况2。1.2 超高性能混凝土加固试验1.2.1 试验试件超高性能混凝土衬砌结构加固试件示意如图 2 所示。该衬砌圆环外径、内径分别为6.2 m、5.5 m，管片厚度为 0.35 m，全环分为 6 部分，包含一个封顶块（F）、两个邻接块（L1、L2）、两个标准块（B1、B2）及一个底块（B3）。在各接缝处分别布设 5.8级的 M30弯螺栓。管片混凝土等级选用C50，钢筋选用HRB335带肋钢筋，弹性极限应变为1 675。抗拔连接件采用8.8级M10化学锚栓，埋置深度为200 mm；抗剪连接件预混料钢纤维水1.21.00.80.60.40.20.0质量比图1 超高性能混凝土配合比原材料类型171总653期2023年第23期（8月 中）采用HRB400带肋钢筋，直径为12 mm，埋置原有混凝土中深度为 135 mm，埋置超高性能混凝土中深度为35 mm。浇筑超高性能混凝土厚度为6 cm，浇筑7 d后即可拆模，置于常温环境下进行养护。1.2.2 加载装置本研究分别通过24个加载点沿径向施加荷载，各加载点处布设千斤顶用于施加荷载，单个千斤顶提供的水平荷载不低于100 t，位移不低于400 mm，按15 间隔均匀分布于试验环外部，呈轴心对称。荷载通过反力架施加于加载点，形成自平衡体系。1.2.3 加载方案千斤顶分为3组，各组内加载点的荷载水平保持一致，且在加载过程中维持同步变化。第一阶段，P1从0 kN分十级逐步加载到150 kN，并保持P2=0.65P1、P3=0.5（P1+P2），这一过程主要是模拟隧道设计工况条件。其中 P1是 15 m 埋深对应的隧道顶等效作用力，系数0.65表征土压力系数。将P1从165 kN逐步增大到215 kN，在这一过程中被动土压力P2达到137.5 kN，仍保持P2=0.65P1、P3=0.5（P1+P2），主要模拟隧道顶处于超载状态下，侧向土压力增大至被动土压力的力学状态。最后，P1从215 kN增大到极限状态，在这一过程中仍然保持P2=137.5 kN、P3=0.5（P1+P2），主要模拟隧道顶后续加载过程中的状态，此时侧向土压力已经达到被动土压力水平，保持稳定。2 试验结果及分析2.1 材料性能现场试验实测得到的抗压强度如图3所示。标准养护条件下，养护龄期为7 d、14 d的超高性能混凝土的抗压强度分别是养护龄期28 d的86%、94%。对比28 d养护龄期下两种养护条件所对应的抗压强度可知，养护条件对试件抗压强度的影响较小，其原因在于超高性能混凝土微观结构较普通混凝土更为紧密，尽管标准养护条件的湿度更高，但外部湿度对超高性能混凝土内部水化过程作用微弱。在试件受拉时，混凝土出现显著应变强化阶段。在试件产生第一条表观裂缝前，材料的应力-应变曲线大致按照线性规律持续增长；当出现裂缝时，即材料达到弹性极限抗拉强度时，试件表面出现多条裂缝，应力-应变曲线开始呈非线性增长；待应力增长达到峰值，即达到极限强度，裂缝逐步发展成主裂缝并进一步增宽，但应力-应变曲线呈下降趋势。对比28 d龄期下两种养护条件对应的抗拉强度可知，不同养护条件对试件强度的影响较小，标准养护条件、现场养护条件下对应的抗拉弹性极限强度分别为12 MPa、11 MPa。虽然超高性能混凝土出现应变强化，但极限应力所对应的应变远低于钢材极限应力所对应的应变，对结构加固后延性产生一定不利影响。2.2 加固后结构性能2.2.1 结构破坏试件受荷过程如下。1）P1从0 kN增大至248 kN时，试件未发生破坏，且试件实测得到的荷载-收敛位移曲线大致呈线性变化。2）当P1增大至248 kN时，试件90 位置的管片外弧面产生受弯裂缝。3）当P1从248 kN增大至255 kN时，试件10.75 接头处的超高性能混凝土出现开裂，且持续贯穿整个混凝土层。同时，外弧面混凝土由于受压破坏产生第一个塑性铰；78.75 接头处的超高性能混凝土由于受压破坏产生第二个塑性铰。4）当P1从255 kN增大至275 kN时，试件281.25 接头处外弧面的张开量陡增，且管片出现斜向开裂，随着局部界面剥离，超高性能混凝土外弧面方向出现轻微开裂，内弧面处由于受压破坏产生第三个塑性铰。5）当 P1从 275 kN 增大至 286 kN 时，试件底部原管片化学锚栓植筋L1块F块L2块UHPC67.5 67.5 67.5 68 68 21.5 B2块B3块B1块6 200 mm图2 超高性能混凝土衬砌结构加固试件示意图标准养护现场养护龄期/d28 d14 d7 d1501209060300抗压强度/MPa图3 超高性能混凝土的抗压强度172交通世界TRANSPOWORLD180 处的超高性能混凝土产生第二条裂缝。通过检测发现，此时主筋实际应变低于屈服应变，管片未表现出塑性变形特征。6）当P1从286 kN增大至288 kN时，试件349.25 处的超高性能混凝土开裂，且外弧面的混凝土被局部压碎。7）当P1从288 kN增大至290 kN时，试件146.25 处的超高性能混凝土开裂，底部标准块向内弧面方向出现错动，形成纵缝错台，同时界面大范围剥离，内弧面位置的超高性能混凝土产生一条受拉裂缝及一条受压裂缝，同时出现掉块现象，产生第四个塑性铰。从理论层面而言，当三次超静定圆环结构同时出现4个塑性铰时，结构已经处于承载极限状态，但接头位置的塑性铰并非理想弹塑性铰，当外部荷载增长时仍具有一定的承载能力。8）当P1从290 kN增大至300 kN时，试验实测主筋应变表明此时底部管片内侧的受拉钢筋已经处于屈服状态，而外侧的受压钢筋仍处于弹性状态。管片中出现第一个塑性铰，导致结构刚度显著降低。由荷载主导控制的加载过程将难以继续进行，即可判定该荷载状态为试验极限承载力。采用超高性能混凝土重点加固隧道管片接缝等破坏位置，由于接缝处依次产生4个塑性铰，导致环状结构进一步发展为可变结构，且逐渐趋近于极限承载状态。经超高性能混凝土加固后的衬砌结构，在破坏机理上与未加固结构相同。2.2.2 变形状态结构整体变形情况如图4所示，其中实线为初始状态，点线为P1=248 kN时所对应的结构变形，结构弹性变形较小，其竖向、横向收敛分别为3.4 mm、2.4 mm。当结构首次出现损伤后变形迅速发展，结构在极限状态下的整体变形竖向、横向收敛分别为 210.7 mm、246.1 mm，结构实际变形呈显著的非对称性。已有研究表明3，未加固的衬砌结构在对称荷载下的非对称变形响应主要是由于管片初始拼装不当导致的。2.2.3 超高性能混凝土与管片间的相互作用根据已有研究4，推导得到加固薄层及加固本体层之间相互作用关系的计算式如下：Tr=tR（1）T=-tRdd（2）式（1）式（2）中：Tr、T分别为界面沿径向、切向的应力；t、R分别为加固层厚度及曲率半径；为沿加固层厚度方向的平均应力；为极坐标系下的角度坐标。根据超高性能混凝土的应变值计算得到相应界面作用力。最大径向拉应力分布于底部及顶部，在最终极限状态下，试件底部的超高性能混凝土及管片界面均出现轻微的剥离裂缝。试件内的最大径向压应力位于腰部，但未引起界面剥离破坏。原有管片接头位置附近的超高性能混凝土及管片界面发生严重破坏，而其他部位状态较好，表明超高性能混凝土与管片之间具有较好的黏合效果。最大切向应力位于衬砌结构右侧腰部接缝处，该位置界面破坏程度较严重，最大切向应力位于左上角两个部位，虽然两个区域界面受到压-剪耦合作用，但其未发生破坏。3 结束语综上，本文主要研究了超高性能混凝土在隧道衬砌结构加固中的应用。首先，通过材料性能试验分析了超高性能混凝土的材料特性，对隧道衬砌加固后结构进行足尺试验。对比分析了标准养护和现场养护条件下试件的抗压强度，对加固后的受力情况和作用效果进行了分析。研究结果表明：超高性能混凝土材料的抗压、抗拉性能受养护条件的影响较小；超高性能混凝土加固后的衬砌结构具有良好的延性，且结构破坏面主要分布于管片接缝处，在加载过程中依次出现4个塑性铰，达到结构极限承载力状态，破坏机理与未加固结构相同；借助植筋、化学锚固的连接方式，超高性能混凝土能够与原管片界面之间形成较好的黏合，超高性能混凝土处于极限承载状态时，材料性能能够充分发挥。参考文献：1 邓国强，王安宝，杨秀敏，等.配筋超高强混凝土抗侵彻性能对比试验研究J.土木工程学报，2021，54（10）：30-35，46.2 黎维良.超高性能混凝土材料在桥梁工程中的应用J.合成材料老化与应用，2023，52（1）：147-149.3 刘建忠，韩方玉，周华新，等.超高性能混凝土拉伸力学行为的研究进展J.材料导报，2017，31（23）：24-32.4 陈俊生，高强，徐承凯.超高性能混凝土梁抗弯承载力机理与简化计算J.新型建筑材料，2023，50（1）：24-29，55.100 mm248 kN300 kN0 kN图4 试验衬砌结构整体变形173