对隧道衬砌裂缝扩展机理探析

2011-01-25侯一晨

黑龙江交通科技 2011年6期

侯一晨

(福州市公路局永泰分局)

1 试验方案

经过对G104线福马隧道衬砌结构进行内力分析可知，最不利部位衬砌结构截面受力状况与一般扁坦马蹄形隧道相同，承受大、小偏心两种受力状态，大部分截面为小偏心受力，仅在拱脚截面附近为大偏心受力，并且最危险截面位于拱脚，将发生受拉破坏。据此，试验中选择最危险截面的大偏心受力状态进行裂缝开展试验。

模型编号:CZ0(不锈蚀构件)，CZ1，CZ2，CZ3，CZ4，CZ5;根据钢筋实际锈蚀率检测方法，偏心柱钢筋模型试件的实际钢筋锈蚀率如表1所列。模型构件尺寸如图1所示。

表1 模型试件钢筋锈蚀率

图1 模型构件设计图

2 试验过程

2.1 无锈蚀钢筋偏心受压构件裂缝扩展试验

(1)CZ0模型试件加载破坏后开裂初期横截面方向3条裂缝，平均间距约为12cm，在加载过程中由此形成以3条裂缝为中心的裂缝带，约有10条裂缝，开展深度 2.5～25.0cm，主裂缝最后在受压区相汇、贯通。

(2)CZ0模型试件数据分析

试验中采用JC-100型裂缝读数显微镜进行量测，对中部开裂的裂纹进行了全程量测，开裂荷载为90kN，所加荷载在390kN(约为极限荷载的82.5％)以下时，裂缝宽度随荷载增加幅度无明显拐点，此时裂缝宽度达到0.293mm，超过390kN后裂缝宽度增加幅度加大，最后破坏时裂缝宽度达到0.58mm。不同应力水平下裂缝扩展速度曲线，从曲线图形上分析认为:可以将裂纹扩展速度随荷载增加分成3个阶段:稳定阶段，变速阶段，剧变阶段。当荷载在240kN(约为极限荷载的50.0％)以下时裂缝为稳定发展阶段，即裂缝扩展将趋于稳定;当荷载在240～390kN(约为极限荷载的50.0％～82.5％)之间时，裂缝扩展速度不稳定，也是隧道衬砌结构处理裂缝的关键阶段，如果在这个阶段不对隧道衬砌结构进行及时加固，则会由于裂缝扩展的进一步加速影响衬砌结构的安全性，绘制裂缝宽度随加载时间加速度变化曲线图，变化曲线在加载为390kN(约为极限荷载的82.5％)处出现加速点，此荷载为裂缝突变的临界点。

2.2 锈蚀钢筋受压构件裂缝扩展试验

(1)CZ1模型试件裂缝扩展情况

模型试件加载破坏后的情形，开裂初期主要呈现横截面方向3条裂缝，平均间距约为7.5 em，在加载过程中由此形成3条裂缝带，约有16条裂缝，开展深度1.5～25 em，主裂缝最后在受压区相汇、贯通。

(2)CZ1模型试件数据分析

CZ1模型试件经过240h的钢筋锈蚀，实际钢筋锈蚀率为6.48％，试验中采用JC-100型裂缝读数显微镜进行量测，对中部开裂的裂纹进行了全程量测，绘制出裂缝宽度随荷载变化图，开裂荷载为115kN，所加荷载在420kN(约为极限荷载的86.5％)以下时，裂缝宽度随荷载增加幅度比较稳定，此时裂缝宽度达到0.183mm，超过420kN后裂缝宽度增加幅度加大，最后破坏时裂缝宽度达到0.551mm。绘制不同应力水平下裂缝扩展速度曲线，从曲线图形上分析认为:可以将裂纹扩展速度随荷载增加分成3个阶段:稳定阶段，变速阶段，剧变阶段。当荷载在180kN(约为极限荷载的37.0％)以下时裂缝为稳定发展阶段，即裂缝扩展将趋于稳定;当荷载在180～420kN(约为极限荷载的37.0％～86.5％)时，裂缝扩展速度不稳定，也是隧道衬砌结构处理裂缝的关键阶段，如果在这个阶段不对隧道衬砌结构进行及时加固，则会由于裂缝扩展的进一步加速而影响衬砌结构的安全性，绘制裂缝宽度随加载时间加速度变化曲线图，变化曲线在加载为420kN(约为极限荷载的86.5％)处出现加速点，此荷载为裂缝突变的临界点。

2.3 偏心受压构件模型试验裂缝扩展规律

(1)模型试件开裂荷载大小

对试件CZ0～CZ5进行裂缝扩展试验，裂缝开裂量测，结果列于表2。

没有进行钢筋锈蚀的试件开裂荷载最小，开裂随着钢筋实际锈蚀率的增加而增加，超过20％的试件CZ4和CZ5其开裂荷载为150kN，比CZ0的开裂荷载增加66.7％，锈蚀前的制作过程中并无差别。从表3可以看出，加载速度相差不明显，其原因可能为各试件在水中浸泡的时间不同，混凝土在水中抗拉强度的增长速度快于非水中抗拉强度的增长，由此时间越久初始开裂荷载值越大。

表2 各模型试件开裂荷载 kN

表3 各模型试件达到开裂荷载前的加载速度kN/min

(2)不同试件同一加载荷载值下裂缝开展宽度比较对试件CZ0～CZ5进行裂缝扩展试验，通过裂缝开裂量测，各试件在不同加载水平下的裂缝宽度比较，除所加荷载值为450kN的裂缝宽度外，其余荷载水平下的宽度曲线具有相似性，可以用4次多项式曲线y=bx4+cx3+dx2+ex+f来拟合。除CZ1裂缝宽度变化曲线有突变外，其余试件的宽度变化曲线具有相似性，可以用3次多项式曲线y=ax3+bx2+cx+d来拟合。

(3)不同试件同一加载荷载值下裂缝开展速度比较试件CZ0～CZ5进行裂缝扩展试验，通过裂缝开裂量测，各试件在不同加载水平下的裂缝扩展速度，除所加荷载超过420kN后的裂缝扩展速率超过0.02 ram/rain，其余荷载水平下的裂缝扩展速率都在0.02mm/min以下，试件模型CZ3在各个荷载水平下的扩展速率相差较大。

(4)不同试件同一加载荷载值下裂缝开展加速度比较对试件CZ0～CZ5进行裂缝扩展试验，通过裂缝开裂量测，各试件不同加载水平的裂缝扩展速度比较，除所加荷载超过420kN后的裂缝扩展加速度超过0.005mm/min，其余荷载水平下的裂缝扩展加速度都在0.005mm/min以下试件模型CZ3在各个荷载水平下的扩展，加速度相差比较大，在破坏阶段未出现加速度急剧加大情况。

以上对偏心受压试验数据进行了分析，得出了一些有益结论。衬砌裂缝监测是隧道健康安全运行保障的重要手段之一，G104线福马隧道将在几处风化深槽/风化囊围岩破碎软弱区的衬砌处设立裂缝监测点，本次试验中得到的裂缝扩展宽度，裂缝扩展速度及加速度，将为其裂缝监测提供参考依据。