隧道二次衬砌混凝土配合比优化试验及支护结构力学特性研究

王大刚

（中国电子工程设计院，北京100142）

隧道二次衬砌混凝土配合比优化试验及支护结构力学特性研究

王大刚

（中国电子工程设计院，北京100142）

优化混凝土配比是混凝土设计的重要内容，对不同配合比条件下混凝土进行室内试验，并对现场喷射混凝土进行物理参数测定，研究了混凝土抗压强度随水泥用量、外加剂和砂率等多因素条件变化规律，建立了多因素条件下混凝土抗压强度数学模型，确定混凝土最佳配合比。采用有限元分析软件ADINA，对丹东某隧道进行了开挖支护过程的数值模拟，研究了多种工况条件下，二次衬砌变形发展演化规律。研究结果对工程设计和施工具有良好指导意义。

均匀设计法；混凝土配合比；ADINA；二次衬砌

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.06.031

1 引言

随着我国交通事业的快速发展，各地广泛建设了高速公路工程。由于高速公路工程对道路线型要求较为严格，因此,在遇到山岭等不利地形条件下，采用隧道成为首选的方法。由于混凝土工作性能不足和对支护机理认识不清，隧道塌方事故时有发生，因此,研究支护结构受力特点和机理成为重要的工程课题。

混凝土配合比设计必须达到4项基本要求,即:满足力学性能（强度）要求;满足工作性能（和易性）要求;满足混凝土耐久性能要求;满足经济适用性能要求[1]。均匀设计方法应用于混凝土配合比设计中,根据对混凝土性能要求的不同灵活控制材料配比,提高工作效率[2～4]。本文对不同配合比条件下混凝土进行室内试验，并对现场喷射混凝土进行物理参数测定，研究不同水灰比、水泥用量、砂率和外加剂对混凝土抗压强度影响。选用混凝土最佳配合比，应用有限元软件对丹东盘道岭隧道二次衬砌支护结构进行受力模拟分析，研究不同荷载组合工况下，隧道二次衬砌变形量及荷载分布。研究结果对工程设计和施工具有良好指导意义。

2 试验原材料力学性质检测

2.1 水泥、砂子、碎石力学性质检测

1）水泥：本试验采用本溪南芬水泥厂生产的标号为32.5的早强硅酸盐水泥。

2）砂子：选用符合规范且细度模数为2.0的河砂。

3）碎石：本试验粗骨料选用碎石粒径为16～31.5mm。

2.2 外加剂及掺量

试验采用的是沈阳市华瑞混凝土外加剂有限公司研制的HM型多功能混凝土防水剂，掺量是2.5%。

3 混凝土配比均匀设计试验结果

3.1 试验过程

首先考虑正常条件下不加外加剂试拌，配制3组试块：（1）水：188kg；水泥：421kg；砂：654kg；石子：1202kg。（2）水：212kg；水泥：413kg；砂：714kg；石子：1066kg。（3）水：181kg；水泥：412kg；砂：762kg；石子：1022kg。

3组的坍落度都较小，不能满足隧道支护泵送施工要求，且第一组的抗压强度没有达标。通过采用外掺剂优化混凝土性能，以保证混凝土抗渗性能和坍落度满足要求。

通过试配可知，影响混凝土强度的因素很多，本试验在各单项类比试验基础上，考虑水泥（X1）、水灰比（X2）、砂率（X3）作为变量因素，防水剂外掺使用，欲配置坍落度（120±20）mm的混凝土试块。水泥用量为400～472kg/m3（不包括掺和料）,水灰比为0.42～0.5，砂率为33.5%～38%，防水剂取2.5%,并将各自的用量范围平分设置成10个水平,利用均匀设计法，选取水泥、水灰比、砂率3个影响因素，防水剂外掺使用，详见表1。

表1 均匀设计表

3.2 均匀设计的回归及其优化

采用的数学模型如下：

通过SPSS软件中的非线性回归分析法，计算回归方程与回归参数，经过回归分析处理后得到的混凝土抗压强度的回归方程的残差非常小。抗压强度的回归方程的复相关系数R2=1，这说明以复相关系数为准则的检验数提高了回归方程的精度，并且可以比较准确地模拟和预测试验的测量值。

在建立数学模型时，通常采用相关系数的大小来分析评价数学模型的准确性，相关系数在0～1之间，一般来说，相关系数越大，数学模型越合理。本文采用MATLAB数学软件进行多元非线性回归，相关数学模型方程为：

4 利用有限元程序ADINA进行二次衬砌的模拟分析

4.1 几何模型

隧道设计宽度为11.5m，路面宽度为10.5m，净高5m。本次数值计算支护结构采用C25钢筋混凝土，相关物理力学参数由室内试验和现场试验得到，不考虑二次衬砌与围岩及初期支护的相互耦合作用。在隧道施工实际条件下，通常将两侧立柱固定在围岩底面，为模拟实际工作条件，本次数值计算时对两侧立柱进行固定约束处置[5]。

4.2 有限元计算结果分析

4.2.1 竖向荷载作用下弯矩与位移变化分析

隧道开挖施工后，会对围岩进行初次衬砌，主要用来承担围岩荷载。初次衬砌在围岩荷载作用下会产生弹性变形，二次衬砌能有效约束初次衬砌的弹塑性变形，但会产生内力。在进行数值计算时，首先考虑没有侧压情况，二次衬砌在受到拱顶作用时，会发生较大的竖向挠曲形变，具体情况如图1、图2所示。随时间发展，二次衬砌变形逐渐增加，呈正相关关系，并且拱顶处产生较多裂缝，随着裂缝的发展和扩展，二次衬砌混凝土支护结构中钢筋与混凝土发生了相互作用，提供了较大的抗拉能力，裂缝的发展受到限制，二次衬砌混凝土支护结构位移变形呈现线性变化；随着荷载增加，二次衬砌受力后逐渐产生拉裂破坏，裂缝较大，表明二次衬砌混凝土支护结构具有较好的延性特征。

图1 竖向荷载作用下的竖向挠度云图

图2 竖向位移云图

4.2.2 最大等效应力变化规律

图3 最大等效应力-侧压系数变化曲线

图4 极限承载力-侧压系数变化曲线

图3所示为最大等效应力随侧压系数变化曲线，最大等效应力出现在二次衬砌最容易发生开裂的部位，这是由于此处最大等效应力接近混凝土强度。当侧压力系数约为0.1～0.4时，隧道衬砌结构最大等效应力变化不大；随着侧压系数增大，最大等效应力迅速增大，并在1.3左右达到最大值；随后，最大等效应力随侧压力系数增加而减小；在侧压力系数大于2.0时，隧道衬砌结构最大等效应力基本不发生变化。当隧道围岩侧压力系数为1时，等效应力值较大，表明所关注的单元主应力的偏差情况。

4.2.3 隧道衬砌结构极限承载力随侧压力系数变化规律

隧道衬砌结构极限承载力随侧压力系数变化规律如图4所示。由图4可以看出，当侧压力系数很小，约0.1～0.4时，隧道衬砌结构极限承载力变化随侧压力系数变化不大；随着侧压力系数提高，隧道衬砌结构极限承载力提高较为迅速，并在1.4左右达到最大值；随后，随侧压力系数继续增加，隧道衬砌结构极限承载力非但没有增加，反而减小；在侧压力系数大于2.0时，隧道衬砌结构极限承载力基本稳定。

5 结语

1）通过均匀设计试验,筛选出主要影响参数，优化混凝土配合比，以使混凝土达到最佳性能；

2）对隧道混凝土二次衬砌结构进行数值模拟，确定结构的极限承载能力及其相关影响因素；

3）当侧压力系数为1.3时，隧道二次衬砌具有最大的承载能力，可以充分发挥混凝土材料的力学性能。

【1】梅松华，盛谦，冯夏庭.均匀设计在岩土工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，2004，23（16）：2694-2697.

【2】刘忠根，张登良，李世杰.均匀设计在SMA骨料级配设计中的应用[J].长安大学学报（自然科学版），2003，23（1）：1-6.

【3】姚通稳，赵海晋，李易进.利用均匀设计法确定最佳配料方案[J].建材技术与应用，2001，18（1）：17-18

【4】刘爱平、崔春龙、刘岁海、侯兰杰.混凝土组构与力学性能关系的研究[J].岩土工程界，2005（8）：62-64.

【5】Liang Yizeng，Fang Kaitai，Xu Qingsong.Uniform design andits applicationsin chemistry and chemical engineering[J].Chemometrics andIntelligentLaboratorySystems，2001，58（1）：43-57.

Study on Optimization of Concrete Mix Experimental and Mechanical Properties of Numerical Simulation

WANG Da-gang
（ChinaElectronicsEngineeringDesignInstitute，Beijing 100142,China）

Uniform design is a scientific experiment method，Using the method of testing arrangement that can reduce workload，To improvetestefficiency。Usingtheuniformdesignmethodfortheoptimizationofconcreteproportion，Alltherawmaterialsofphysicaland mechanicalindexesweredetermined，Usingthecomparisonmadeintoconcretetest，Fortechnicalandeconomicanalysis。Exploredosageof cement,water,sandandadmixture,thefourfactorsofconcrete，Throughestablishingthe mathematical model and regression analysis，For fourfactorsoftheinternalrulesandinfluence，Processparameteroptimization，Tofindthebestandconcretemixture。Usingthenonlinear finiteelementanalysissoftwareADINAlarge，ThecompoundofJinzhouNanshanmountaintunnelliningsupportingforceduringsimulation analysis，IntroducestheengineeringcaseandmodelassociatedSettings，Researchonvariousloadcombinationscircumstances，Thesecond liningdeformation,stressdistributionandmechanicalproperties。Inordertodesignandconstructionoftheprojecthasgoodsignificance。

uniformdesignmethod;concretemixproportion;ADINA;secondlining

TU455.91

A

1007-9467（2016）06-0117-03

2016-04-15

王大刚（1977～），男，黑龙江集贤人，高级工程师，从事建筑工程设计与研究，（电子信箱）44295743@qq.com。