地震动力作用下纤维混凝土隧道衬砌的试验研究

2013-08-28蒙国往周佳媚李志业

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2013年1期

蒙国往，周佳媚，李志业

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031)

我国是多地震国家之一，随着我国公路、铁路、地铁等隧道的日益增多，将有更多的隧道穿越高烈度地震区，新建隧道和修复既有隧道都将面临新的挑战.在5·12汶川地震中，新建的都汶公路共有11座隧道不同程度受损，较典型的是震中区附近的烧火坪、龙溪、龙洞子、紫坪铺等隧道［1］.在隧道使用中，二次衬砌结构耐性问题也逐渐突出［2］，而我国有关地下结构抗震方面的规范还未提出切实有效的抗减震材料及措施，因而研究隧道及地下工程抗震问题显得十分迫切.

纤维混凝土是近几年发展起来的一种新型复合建筑材料，具有增强、增韧、阻裂、耐冲击、耐疲劳等优点［3］，已广泛用于国内外土木工程建设中.采用纤维混凝土制成隧道衬砌，并研究其在地震动力作用下的反应与破坏形态对隧道结构抗减震具有重大意义.

1 模型试验

1.1 模型设计与制作

某隧道的开挖宽度为12.64 m，开挖高度为10.14 m.考虑试验振动台上模型箱尺寸(3.7 m×1.5 m×1.8 m)及试验操作便利性，根据相似理论，由几何相似比(CL=30)确定出试验模型衬砌断面尺寸，如图1所示.试验模型衬砌厚1.40 cm，纵向长80 cm.

图1 隧道模型衬砌断面尺寸(单位:cm)

制备混凝土的胶凝材料，选用哈尔滨复合硅酸盐水泥P·O 32.5;水为自来水;细集料为标准中沙，细度模数2.3;纤维为复合纤维PF－2000.

根据实际所需衬砌强度及实验室拌合情况，选定两组衬砌配合比见表1.同时，采用相同条件浇筑两组衬砌及立方体试块，在室温条件下养护18 d后进行试验.

表1 配合比设计

1.2 试验方法

1.2.1 试验设备

采用中国地震局工程力学研究所的5 m×5 m三向地震模拟振动台，最大荷重30 t，最大倾覆力矩350 kN·m;满荷时最大加速度在 x和 y方向为1.0 g，在z方向为0.7g;最大速度在单向振动时为60 cm/s，在三向振动时为30 cm/s;最大位移在x和y方向为±8 cm，在z方向为±5 cm;振动台工作频率为 0.5 ～40.0 Hz.

为消除模型箱边界对试验结果的影响，在水平振动方向两端箱壁上固定10 cm厚的聚苯乙烯薄膜板，以减少地震波刚性反射的影响;在箱底均匀固定10 cm厚的碎石，增大接触面上的摩擦阻力;在箱内沙中布置了151个配重块，每个5 kg，以增加地震惯性力.

1.2.2 振动台试验加载方法

振动台试验输入波采用5·12汶川地震中卧龙台记录的实际地震波，y向加速度保持不变，z向加速度逐级增加，详见表2.每次振动完成后对模型内部拍照.

表2 振动台试验地震波输入情况

1.3 试验结果

1.3.1 试验破坏现象

试验结束后，均匀缓慢地卸除模型箱内覆沙层，保证衬砌受力均匀并大小相同.衬砌上部沙子清除后，首先看到衬砌顶部均有裂缝，裂缝偏离隧道中线3～5 cm，素混凝土衬砌裂缝已完全贯通，两侧基体完全断开分离;纤维混凝土衬砌裂缝里侧断开，但外侧仍有部分相连，呈向下凹陷挤压状，并非完全断开.完全挖开之后，发现两个衬砌在拱顶、拱腰、拱脚及仰拱均有沿纵向轴线的裂缝;素混凝土裂缝完全贯通，一碰即断开;纤维混凝土衬砌裂缝不完全断开，基本是一侧张开，另一侧挤压相连，裂缝中均可看到纤维，裂缝部位虽破碎，但剥离碎片仍通过纤维连在裂缝上，裂缝多呈锯齿形.破坏情况如图2所示.检查衬砌外观，两个衬砌破坏情况见表3.

图2 衬砌裂缝对比

1.3.2 应变状态

该次试验主要测量衬砌里外侧同部位的拱顶、拱肩、边墙、拱脚和仰拱的应变，每个衬砌设置2个测量断面，每个断面布置8个应变测点，左右对称.测量断面测点布置如图3所示.振动试验过程中，应变片随加载顺序破坏情况见表4.

表3 对比试验衬砌破坏情况

表4 应变片随加载顺序破坏情况

在第4级加载作用下，在t=16.065 s时台面竖向加速度达最大值，台面振动频率为4.184 Hz，素混凝土衬砌振动响应频率为3.658 Hz，纤维混凝土衬砌振动响应频率为3.681 Hz，纤维混凝土衬砌振动响应比素混凝土衬砌振动响应滞后0.04 s.t=14～18 s期间，衬砌应变响应如图4所示.

图3 应变测点示意图

图4 t=14～18 s期间衬砌应变响应

素混凝土衬砌的应变对地震动力反应比较强烈，应变幅值较大，时间－应变曲线比较平滑;纤维混凝土衬砌应变反应谱不够稳定平滑，波形变化的局部呈锯齿形.第4级加载作用下衬砌典型部位时间－应变关系曲线如图5所示.

图5 衬砌典型部位时间－应变关系曲线

1.3.3 混凝土强度指标

依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)［4］对立方体试块进行强度试验，试验结果见表5.

表5 混凝土强度指标(18 d)MPa

2 试验结果初步分析

1)两个衬砌拱顶裂缝均偏离隧道中线3～5 cm，说明在地震荷载和覆土压力共同作用下，合力位置会随机移动，最不利荷载出现时导致衬砌发生破坏，位置往往偏离隧道中线.素混凝土衬砌裂缝两侧基体都是完全断开，右拱腰和右拱脚的裂缝之间存在连通裂缝，裂缝基本呈直线型，断口干净整齐，裂缝挤压处有明显掉块痕迹，说明素混凝土抗拉强度低、脆性大.纤维混凝土衬砌裂缝基本都是一侧张开，另一侧挤压相连，裂缝内均可看到分散的纤维以及部分小结团纤维，裂缝呈锯齿形，裂缝口处小破碎片通过纤维仍黏结在衬砌上.这说明混凝土基体开裂后，搭接裂缝的纤维能够通过黏结应力继续传递应力，阻碍裂缝进一步开展;反复振动荷载作用，导致裂缝慢慢变宽继而出现锯齿形裂缝，并因挤压而产生小碎块，小碎块通过已失效的纤维黏结在裂缝口.

2)随着加载等级的提高，素混凝土衬砌上应变片破坏增多，纤维混凝土衬砌上的应变片在第4级加载中没有新的破坏.说明纤维在混凝土基体开裂后对控制裂缝继续开展具有控制作用，并能调整应力，减少新生破坏.纤维混凝土衬砌测点应变值普遍较小，说明纤维可能对混凝土基体微小变形具有一定约束作用，或是能够积极促进应力调整重分布.纤维混凝土衬砌的时间－应变关系曲线局部均存在锯齿形小波动，其振动响应比素混凝土衬砌稍微滞后，说明在振动荷载作用下，可能在衬砌振幅达到最大瞬间，纤维通过黏结应力导致混凝土基体微小颗粒加速度变小或抵消，使混凝土吸收更多的能量，从而幅值降低，反应滞后，达到减轻震动力对结构破坏的效果.

3)由表5可知，纤维混凝土立方体轴心抗压强度在18 d龄期时略低于素混凝土.