盾构管片接缝传力垫层的接触特性试验研究

张振宇， 李豪杰， 李朝君， 贾长恒， 冯吉利

(1. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083；2. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083；3. 重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074)

盾构管片接缝传力垫层的接触特性试验研究

张振宇1, 2， 李豪杰1, 2， 李朝君3， 贾长恒1, 2， 冯吉利1, 2

(1. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 北京 100083；2. 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083；3. 重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074)

为了研究盾构管片接缝的接触特性，采用带有橡胶垫层的混凝土试件来模拟盾构管片和橡胶垫层，通过加卸载条件下的直剪试验和单轴压缩试验，探究盾构管片接缝和接头处的切向和法向接触特性。由试验结果可知： 1)接触面剪切应力随剪切位移的变化过程可以分为弹性变形、弹塑性变形和应变软化3个阶段，剪切峰值应力的残余百分比为55%～65%; 2)橡胶垫层在混凝土之间起到了良好的缓冲作用，对管片的失稳破坏过程有一定的延缓作用; 3)根据试验结果得出管片混凝土强度等级为C50、传力垫层厚度为2 mm时接触面的切向和法向接触刚度，为盾构管片接缝传力垫层接触摩擦特性的分析计算提供参考。

盾构管片； 接缝和接头； 接触摩擦； 橡胶垫层； 接触刚度

0 引言

接触摩擦在实际工程中普遍存在，属于非线性问题，也是相对困难的重要研究课题[1]。正确分析接触面受力变形机制、剪切破坏发生位置、接触面应力-应变关系和载荷传递过程等，对于科学描述含接触面工程问题的力学研究是十分重要的。国内外许多学者对不同的接触问题进行了相关研究： Lam等[2]通过混凝土与岩石接触条件下的大型直剪试验，分析了规则三角形接触面的剪切特性； Maitra等[3]通过试验研究了典型混凝土路面混凝土板与路基在不同接触条件(光滑接触和粗糙接触)下的接触摩擦作用； Jiang等[4]研究了新旧混凝土加固沟槽接触面的剪切摩擦特性； 李永辉等[5]研究了超长灌注桩桩侧与土体接触截面的剪切力学行为； 孙厚超等[6]通过试验研究了冻土与结构接触界面层的力学变形行为； 赵春风等[7]通过大型结构剪切试验研究了考虑法向应力历史的黏土与混凝土接触界面的剪切力学特性。此外，工程中岩土体和结构会处于反复加卸载状态， Fishman[8]通过试验分析了理想岩石节理在循环加卸载条件下的接触特性。

在目前的盾构隧道中，盾构管片由几块预制的钢筋混凝土块体拼装组成，管片块体与块体之间存在接缝、环与环之间存在接头，在接缝和接头处管片块体上均带有传力橡胶垫层。隧道开挖和运营过程中，盾构管片经受加载和卸载过程，使得接缝和接头处管片块体间产生接触摩擦作用，对盾构管片的稳定性有很大影响[9-12]。管片接缝和接头处的橡胶垫层为超弹性材料，对接缝和接头处的接触摩擦作用有很大影响。文献[13-14]在研究管片接缝对管片的影响作用时考虑了接缝处的止水橡胶垫层和传力橡胶垫层，研究结果表明添加橡胶垫层的管片接头刚度为不添加橡胶垫层管片接头刚度的1/3～1/5，管片接头刚度随着接头荷载的增加表现出明显的非线性。张建刚等[15]研究了不同承压垫层条件下的管片接头端面应力分布特性，结果表明承压垫层对端面压应力分布有很大影响。

由于接触本身为高度非线性问题，加之与超弹性橡胶垫层联合在一起，导致解析值不能准确反映管片接缝和接头处的接触摩擦特性，同时对管片接缝和接头接触摩擦相关的试验研究较少。因此，本文采用带有橡胶垫层的混凝土试件来模拟盾构管片和橡胶垫层，通过加卸载条件下的直剪试验和单轴压缩试验来研究带有橡胶垫层的混凝土接触面的力学性能，以期为盾构隧道管片接缝和接头的计算分析提供科学依据。

1 试验设计和方法

1.1试验仪器

直剪试验仪器主要由加载装置和剪切盒组成。其中加载装置采用中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的深部岩石非线性力学试验系统，如图1所示。该加载系统可同时在X、Y、Z3个方向进行加载，3个方向最大加载值为50、45、45 kN，试验过程中通过顶部和两侧位移的荷载监测装置，得出试验过程中试件的荷载、位移与时间的关系曲线。剪切盒由上下2部分组成，尺寸为320 mm×160 mm×145 mm，剪切盒上部和下部的内部尺寸均为110 mm×110 mm×50 mm，试验过程中在剪切盒内添加钢垫块将试验试件固定。单轴压缩试验通过单轴压缩试验机进行，最大加载荷载为2 000 kN。

图1 试验加载装置

1.2试样制备

试验试件主要有混凝土块体和橡胶垫层。混凝土块体参照盾构混凝土管片制作的配比要求进行浇筑制作，尺寸为100 mm×100 mm×50 mm(误差±1 mm)，混凝土强度等级为C50。橡胶垫层采用盾构隧道管片中常用的传力橡胶垫层，为不可压缩超弹性材料，厚度为2 mm，截面尺寸为100 mm×100 mm(误差±1 mm)，与混凝土试件表面尺寸相同。试验中将橡胶垫层粘贴在混凝土试件上，以此来模拟盾构隧道管片和橡胶垫层，带有橡胶垫层的混凝土试件如图2所示。

图2 带有橡胶垫层的混凝土试件

1.3试验设计及方法

试验中采用带有橡胶垫层的混凝土试件来模拟盾构管片和橡胶垫层，通过试件的直剪试验和单轴压缩试验来研究盾构管片接缝的接触特性。在设计试验轴向荷载时，首先利用地层结构法，建立二维有限元模型，对埋深22.6 m的隧道管片受力性态进行简要的数值计算。模型中管片厚度为0.3 m，宽为1.2 m，外径为3 m，计算时采用均值圆环模型。分析不同截面受力性态，得出管片截面压应力范围为1.5～17 MPa。直剪试验中设计轴向应力为7 MPa和10 MPa 2种工况，每组应力条件均做2组平行试验。为了计算接触面的法向和切向接触刚度，试验中根据剪切应力值和轴向应力值分别设计了几次加卸载操作，具体见下述各试验方法。

1)直剪试验方法： 试验采用荷载控制的加载方式进行轴向加载，加载速率为0.5 kN/s，加载完成后，保载3 min；采用位移控制的加载方式进行水平(剪切方向)加载，加载速率为0.02 mm/s，当剪切应力达到 0.5 MPa时，进行卸载，再加载。此后每隔0.5 MPa均进行卸载再加载操作，直至剪切应力达到峰值。在剪切应力达到峰值过后，再进行2次加卸载操作。

2)单轴压缩试验方法： 试验采用荷载控制的加载方式进行加卸载，加载速率为0.3 mm/s。当轴向应力分别达到1、5、10、20、40 MPa时进行卸载再加载操作，当轴向应力达到峰值过后，再进行2次加卸载操作。

2 试验结果分析

2.1直剪试验结果分析

2.1.1 剪切应力与剪切位移的关系

图3和图4分别示出轴向应力为7 MPa和10 MPa加卸载条件下剪切应力与剪切位移的关系曲线，分别提取试验的轴向应力、峰值应力以及残余剪切应力等试验结果进行分析，试验结果见表1。

(a) 第1组试验

(b) 第2组试验

Fig. 3 Relationships between shear stress and shear displacement (axial stress of 7 MPa)

(a) 第3组试验

(b) 第4组试验

Fig. 4 Relationships between shear stress and shear displacement (axial stress of 10 MPa)

表1 试验结果

由表1分析试验结果可知：

1)不同轴向应力条件下剪切应力与剪切位移关系曲线形式基本相似，剪切应力随剪切位移的变化过程基本可以分为弹性变形、弹塑性变形和应变软化3个阶段。这主要是由于接触面在轴向应力作用下具有一定的黏聚作用，当剪切位移较小时，接触面的黏聚作用大于剪切作用，剪切向应力随剪切位移的增加呈线性增长，直至剪切应力在此阶段达到峰值。而当接触面剪切作用超过接触面橡胶垫层间的黏聚作用时，接触面试件间将产生相对位移，由于橡胶垫层材料的特性，剪切应力值随着剪切位移增加开始逐渐减小，出现应变软化现象。

2)剪切应力由峰值逐渐减小到残余应力值， 2种轴向应力条件下峰值应力的残余百分比为55%～65%。

3)橡胶垫层尽管很薄，但是作为典型的柔性材料，在混凝土之间起到良好的缓冲作用。接触面的应力变形会伴有明显的软化变形阶段，因此混凝土接缝或接头处的橡胶垫可以有效避免应力集中，并缓冲管片的失稳破坏过程。

4)试验结果中，轴向应力为7 MPa的2组试验结果相差较小，而轴向应力为10 MPa的2组试验结果中剪切峰值应力和残余应力相差较大。这主要是由于试验试件均由混凝土块体和橡胶垫层通过人工粘贴而成，粘结质量受人为因素影响，在试验过程中橡胶垫层与混凝土块体之间可能出现相对错动，导致试验结果出现离散现象。

2.1.2 切向接触刚度计算

接触面的法向和切向接触刚度常用来描述接触面的受力变形特性，二者通常根据应力-位移曲线起始阶段的斜率确定，但是对于在加载开始就产生塑性变形的情况，很难再采用上述方法确定接触刚度系数。Desia等[16]提出利用应力与位移曲线中的卸载曲线的斜率来计算相应的接触面刚度。根据此方法对带有橡胶垫层混凝土的接触面的切向接触刚度进行计算，不同工况下的计算结果见表2。由于粘贴质量的不同，导致试验结果出现离散现象，但不同轴向应力条件下计算的切向接触刚度相差较小，切向刚度平均值为2.03 MPa/mm。

表2 切向接触刚度

2.2单轴压缩试验结果分析

2.2.1 轴向应力与轴向位移的关系

图5示出带有橡胶垫层混凝土的接触面在循环加卸载条件下的轴向应力与轴向位移关系曲线。由图可知：

1)当轴向位移较小时，轴向应力增加缓慢。这主要是由于混凝土试件上带有橡胶垫层，其抗压强度小于混凝土抗压强度。在轴向应力作用下，橡胶垫层首先产生塑性变形，起到了很好的缓冲作用；并且由于试件的平整度不足，接触面处存在一定的空隙，在压缩过程中空隙得以压实，使得在初始压缩位移时接触面的轴向应力增加幅度较小。

2)随着轴向位移增大，轴向应力增加幅度明显变大。这主要是由于随着轴向应力的增大，橡胶垫层变形已达到极限，此时刚度较大的混凝土试件开始产生变形。

3)当轴向应力达到峰值强度后，随着轴向位移的增加，混凝土试件开始发生破坏，轴向应力急剧下降，并出现阶梯状下降。这主要是由于橡胶垫层具有缓冲作用，对管片的失稳破坏具有一定延缓作用。

(a) 第1组试验

(b) 第2组试验

2.2.2 法向接触刚度计算

对比2组试验结果可发现，第1组试验轴向应力峰值明显小于第2组试验，这主要是由于混凝土试件表面平整度不足，压缩过程中可能出现应力集中现象，使得试件产生局部破坏，从而使得轴向峰值应力较小。

同样根据上述切向接触刚度的计算方法来计算法向接触刚度，2组试验计算法向接触刚度分别为36、35.7 MPa/mm，二者平均值为35.85 MPa/mm。

3 结论与讨论

通过带有橡胶垫层混凝土的直剪和单轴压缩试验，探究了带有橡胶垫层混凝土接触面的接触特性，主要得出以下结论：

1)带有橡胶垫层混凝土的接触面剪切应力随剪切位移变化过程基本可以分为弹性变形、弹塑性变形和应变软化阶段。

2)橡胶垫层作为典型的柔性材料，在混凝土之间起到了良好的缓冲作用，使接触面的应力变形伴有明显的软化变形阶段，可以有效避免应力集中，缓冲管片的失稳破坏过程。

3)当管片混凝土强度等级为C50、传力垫层厚度为2 mm时，传力垫层接触面间的法向和切向接触刚度分别为35.85 MPa/mm和2.03 MPa/mm，为盾构管片接缝和接头处接触摩擦特性的分析计算提供参考。

为了能够更好地描述管片接缝和接头处的接触特性，建议考虑接触面的尺寸效应，通过与管片接缝和接头处相同形式的直剪和单轴压缩试验来研究接触面的接触摩擦效应，这对分析接缝和接头对管片稳定性的影响具有重要意义。

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ExperimentalStudyofContactCharacteristicsofRubberCushionUsedinShieldSegmentJoints

ZHANG Zhenyu1, 2, LI Haojie1, 2, LI Chaojun3, JIA Changheng1, 2, FENG Jili1, 2

(1.StateKeyLaboratoryforGeomechanicsandDeepUndergroundEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China; 2.SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China; 3.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)

The shield segment and rubber cushion are simulated by concrete specimens with rubber cushion to study the contact characteristics of shield segment joints. The contact characteristics of the joints of shield segment are investigated by direct shear test and uniaxial compression test under cyclic loading and unloading conditions. The test results show that: 1) The shearing process can be divided into elastic deformation, elastoplastic deformation and strain softening stage; and the residual percentage of the peak shear stress is about 55%- 65%. 2) The rubber cushion plays a good buffer role between the concretes, which may delay the buckling failure of the tunnel segments. 3)The normal and tangential contact stiffness of the contact surface is obtained when the concrete strength of the tunnel segments is C50 and the thickness of the cushion is 2 mm, so as to provide reference for analyzing and calculating the contact friction of the cushion.

shield segment; joints; contact friction; rubber cushion; contact stiffness

2017-01-12;

2017-09-07

国家自然科学基金(U1261212)； 国家博士后面上基金(2016M592888XB)； 重庆市博士后基金(Xm2016055)

张振宇(1989—)，男，河北唐山人，中国矿业大学(北京)岩土工程专业在读博士，研究方向为地下结构稳定性分析。E-mail: zhangzhenyu891011@163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.007

U 45

A

2096-4498(2017)11-1404-05