隧道结构微粒混凝土相似材料力学性能试验研究

2021-06-04杨振丹黄海峰曹帮俊朱双燕周鹏发杜明哲

四川建筑 2021年2期

杨振丹，黄海峰，曹帮俊，朱双燕，周鹏发，连正，杜明哲

(1.天津轨道交通集团有限公司，天津 300392；2.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)

为满足振动台模型试验对大比例缩尺模型的要求，保证模型结构和原型结构的相似，模型结构一般需要按照白金汉定理进行相似缩尺设计[1]。当结构的几何缩尺比例根据实验室激振设备的限制条件确定后，作为在相似理论中同样是独立变量的结构材料弹性模量，其参数的合理选取对最终模型试验整体相似关系的准确建立起到了关键作用[2]。在振动台上的模型由于尺寸较小，模型材料主要采用由中砂或粒径较小的碎石，通过胶凝材料混合而成的混凝土及微粒混凝土[3]。微粒混凝土是将由水泥、掺合料与外加剂等组成的胶凝材料、良好级配骨料和水三者依照恰当的比例配合而成的人工材料，是一种由连续级配组合成的混凝土，满足振动台模型较小尺寸的浇筑要求。

自20世纪70年代起，英、美等国家学者对微粒混凝土进行了研究[4]，Hossdorf等[5]阐述了微粒混凝土相似材料的各向异性，并表明常规钢筋混凝土的粘结机理也能够在应用该材料的模型试验中得以体现；Harris等[6]的研究结果阐明在物理力学性能上微粒混凝土具有与原型材料相似的性质。随后我国学者对微粒混凝土也开展了大量的研究，1994年，鞠杨等[7]初步介绍了微粒混凝土的概念，并开展了对其受拉性能的试验研究；杨政等[3]通过力学性能试验给出了所研究微粒混凝土材料的应力—应变关系曲线；刘红彪等[2]采用理论与试验结合的方式研究了微粒混凝土模型材料与原型混凝土材料的拟合公式；沈朝勇等[8]研究了添加陶粒、粉煤灰、浮石等不同骨料后对微粒混凝土弹性模量的影响；张路等[9]研究了微粒混凝土力学性能在添加飞灰、高炉矿渣等掺合料情况下的变化规律；李绿宇等[10]对微粒混凝土材料的物理力学性质及其相关影响因素进行了试验研究；李炳晨等[11]基于正交试验方法，研究了加重微粒混凝土模型材料的力学特性，强调了水灰比和重度对材料力学特性的影响。大量已有研究结果表明，微粒混凝土不仅在材料力学试验中具有与普通混凝土材料相近的应力—应变关系，同时在模型试验中其抗压强度、弹性模量等均能满足设计需求，还原实际工程材料的物理力学特性[12-13]，所以是模型试验中模拟混凝土结构的良好材料。

本文模型试验研究以天津地铁可液化区盾构隧道工程项目为依托，针对饱和粉土盾构隧道振动台试验结构模型，阐述了模型相似材料的设计思路，设计了不同的微粒混凝土配比，并进一步开展材料抗压强度、弹性模量影响因素的研究。揭示适用于盾构隧道模型试验的微粒混凝土材料力学性能，并确定出符合试验要求的材料成分配比，对指导隧道结构抗震模型相似关系的设计有重要意义。

1 模型试验材料相似准则

土工模型试验方案必须建立在相似理论基础之上，并依据相似准则进行设计才能确保最终试验研究结果的可靠性与精确性[14-15]。针对天津可液化粉土场地盾构隧道大型振动台模型试验，研究非饱和土三相体系环境下的隧道模型衬砌材料相似比设计方法。由于该试验的主要目的为探究可液化土层及盾构隧道的地震反应规律，相似比设计的原则如下。

(1)盾构隧道模型的重力应与液化地层对结构作用的上浮力有一致的相似比例。

(2)盾构隧道结构在地基土中受周围介质约束，故液化土层的动剪切和侧向大变形是引发结构动力变形的主要因素，必须合理考虑模型土地基有效上覆土压力和孔隙水压力对模型结构的影响。

(3)试验采用小振幅弦波和地震波作为动力荷载，模型整体处于弹性范围，故结构本身惯性力引起的内力并非主要因素，同时地铁盾构隧道模型尺寸较小，重力效应无需采用人工质量的方法考虑惯性力相似。

(4)试验探究发生在饱和及非饱和条件下液化场地大变形及盾构隧道的动力响应规律，故涉及到地基剪切和结构偏移刚度的整体变形协调相似性以及衬砌材料抗减震强度的力学相似性。

根据本研究盾构隧道模型与可液化地基土的特点并结合上述原则，选取结构模型的基本物理量如下：长度、弹性模量和加速度，并按白金汉定理将余下所需各种物理量的相似关系导出。为了探究振动台试验中地基土模型箱边界效应的影响，从而合理确定整体模型尺寸及几何相似比，对试验模型进行了数值模拟。根据模拟计算结果、模型箱尺寸与盾构隧道原型尺寸，方案最终确定试验几何相似比为1∶20。根据上述相似关系，可得盾构隧道衬砌模型的相似比，见表1。

表1 模型相似关系和相似比

2 模型结构相似材料试验

2.1 模型结构相似材料选择

隧道地下结构的相似材料通常有：石膏、微粒混凝土、亚克力管材、环氧树脂和铝合金等。根据本次振动台模型试验饱和液化粉土及盾构隧道结构的特点，本试验隧道模型材料选用微粒混凝土，该相似材料具有以下优点。

(1)材料性质与原型钢筋混凝土相近，相似性好。

(2)可在结构模型中设计制作配筋。

(3)与原型基本一致的地基土体与隧道模型间的接触作用。

(4)其弹性模量和抗压强度低于原型材料，利于实现相似设计。

由模型结构相似比得到隧道衬砌结构模型材料的力学参数见表2。本试验中，隧道结构的微粒混凝土相似材料，以粒径为0.15～5.0 mm标准级配的中砂为骨料，P.S 42.5R普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料。为解决普通微粒混凝土无法满足地震动载试验所要求的低强度、低弹性模型等材料特性相似比和施工便利性，应适当添加掺合料。熟石灰对调节微粒混凝土材料的抗压强度和弹性模量效果良好，故本试验中掺合料选择熟石灰粉。

表2 衬砌结构物理力学参数

2.2 衬砌相似材料试验设计

根据已有的研究成果，在水泥强度等级一定的情况下，水灰比对微粒混凝土的轴心抗压强度和弹性模量的影响最为显著，所以本次试验首先设计无外加掺合料的具有不同水灰比和骨胶比的微粒混凝土配比，在探究出适用于模型结构相似要求的基本配比范围后，再考虑添加不同的掺合料对材料力学参数进一步调整。基于上述材料配比设计思路，试验制定了前后两组试验方案。首先，参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，将设计混凝土水胶比限定在0.50～1.0，又根据已有的研究成果[16-17]，考虑试验过程中试件与模型制作的施工便利性，如粘稠度、坍落度、和易性等，再添加水胶比1.5和2.0两个水平。同时中砂与水泥组分，即骨胶比也须根据水灰比的增加而相应变化为4.5、6.0两个水平，以确保材料具备友好的施工性和梯度适当变化的材料特性。选取了第一组试验材料基本配合比方案，如表3所示。并在前组材料试验完成后根据其测试结果，选出了最适用于本次振动台模型试验的微粒混凝土材料水灰比范围，并在此基础上加入熟石灰对相似材料力学性能进行调整，主要目的是在抗压强度保持一定设计参数情况下进一步降低模型材料的弹性模量。为此以控制变量的原则设计出第二组配比方案，具体比选方案见表4。

2.3 试验方法

2.3.1 试验标准及试验试件

本试验中微粒混凝土和砂浆的骨料粒径大小范围更为相近，故根据JGJ/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，对于每一配合比，试验采用两组试样进行材料参数测试，尺寸分别为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和100 mm×100 mm×100 mm。每组测试材料包含三个同时、同条件制作与养护的标准试块。制作试件过程中，首先将微粒混凝土中按一定配比要求配制好的水泥与骨料拌合均匀，在实验室内自然条件下养护24 h后脱模，放入标准养护室中养护28 d后测量微粒混凝土的抗压强度和弹性模量，试验过程根据上述建筑砂浆力学性能试验方法标准进行，试验试块如图1所示。

图1 试验标准试块

2.3.2 试验装置

采用JES-2000A型电液式压力试验机和深圳万测HUT系列A型微机控制电液伺服万能试验机分别对立方体试块抗压强度和棱柱体试块弹性模量进行试验。该系统最大荷载为500 kN，可用位移、荷载及应变等控制模式进行加载，并且可以测量微粒混凝土材料本构性能试验的下降段及峰后曲线。试验测试仪器见图2、图3。

图2 电液式压力试验机

图3 微机控制万能试验机

3 试验结果及分析

3.1 无掺合料基础配比微粒混凝土试验结果

第一组试验以微粒混凝土28 d轴心抗压强度和弹性模量为测试指标，表3为设计试验的配合比及每组配合比所对应的测试指标试验结果。可以看出，随着水灰比的增大，微粒混凝土试块的抗压强度和弹性模量均在减小，呈现出和混凝土一样的变化规律。

表3 试验方案与结果

3.2 基本配合比力学性能影响因素分析

3.2.1 水灰比

微粒混凝土以水泥为胶凝材料，水灰比与其胶结的程度直接相关，进而决定隧道衬砌模型的物理力学性质。实验组Ai为水灰比试验研究组，Ai(i=1～5)砂与水泥比为4.5，Ai(i=6～14)砂与水泥比为6.0。

由图4和图5可知，微粒混凝土的弹性模量和抗压强度都在随着水灰比的增加而显著降低。对砂/水泥比值为4.5的实验组，水灰比从0.65到0.70时，微粒混凝土试块的抗压强度和弹性模量明显的降低。而当砂/水泥比值为6.0时，在水灰比从0.7变化到1.0时，抗压强度和弹性模量在均匀缓慢的降低。根据图5(a)、图5(b)的关系曲线趋势可得出，当水灰比在0.5～1.0之间时，微粒混凝土的强度变化率比1.0～2.0之间的大，较小的水灰比(0.5～0.7)对微粒混凝土强度的影响比较明显。

(a)抗压强度和水灰比关系

(b)弹性模量和水灰比关系图4 抗压强度和弹性模量变化图(砂/水泥=4.5)

(a)抗压强度和水灰比关系

(b)弹性模量和水灰比关系图5 抗压强度和弹性模量变化(砂/水泥=6.0)

3.2.2 骨胶比

同时对比A5和A6两组配比材料试验，得到中砂/水泥的骨胶比对混凝土的力学性能参数具有一定影响，在较小的水灰比条件下，骨胶比的增加会略微增大混凝土材料的抗压强度和弹性模量。

3.2.3 选择试验材料基本配合比

由于本次振动台试验相似关系的限制，为隧道衬砌所配制的微粒混凝土需要具有较低水平的力学性能参数，但仅依靠调节水灰比去配制材料时会造成拌合物粘聚性不良、产生流浆、离析现象并严重影响混凝土材料的均质性，还会在养护过程中令浇筑模型产生裂缝。所以可通过第一组试验大致确定所需要的微粒混凝土的基本配合比，再添加合适的掺合料得到力学参数更加符合试验要求的模型相似材料。本组试验得到两组适宜的基本配合比，分别是水：水泥：砂=1.5∶1.0∶6.0和2.0∶1.0∶6.0，故第二组试验将添加石灰材料，通过设置不同配合比进一步调节模型材料参数。

3.3 掺合料对微粒混凝土力学性能影响分析

在所选定的两组混凝土配合比基础上，添加不同熟石灰掺合料后的微粒混凝土试件力学性能试验结果如表4所示。

3.3.1 石灰比

测试结果表明，Ai实验组中低水灰比微粒混凝土试块轴心抗压强度和弹性模量远高于隧道结构模型的参数要求，考虑在高水灰比实验组中掺加熟石灰便能有效的调节微粒混凝土的抗压强度和弹性模量，确定出满足试验要求的配比。试验组Bi(i=1～6)是基本配合比为水∶水泥∶砂=1.5∶1.0∶6.0的实验组，依次增加熟石灰的掺量，试块的抗压强度和弹性模量变化如图6所示。试验组Bi(i=7-12)是基本配合比为水∶水泥∶砂=2.0∶1.0∶6.0的实验组，依次增加熟石灰的掺量，试块的抗压强度和弹性模量变化如图6和图7所示。

(a)抗压强度和石灰比关系

(b)弹性模量和石灰比关系图6 石灰比对抗压强度和弹性模量影响(水灰比1.5)

由图6和图7可以看出，在水灰比一定的条件下，随着微粒混凝土中掺入熟石灰含量逐渐增加，抗压强度和弹性模量均呈现逐渐降低的趋势。当水灰比为1.5，石灰比由低至高在0.0～2.0时，微粒混凝土的抗压强度指标均匀缓慢减小，弹性模量在石灰比0.0～1.0范围内时下降慢，1.0～2.0时下降明显。当水灰比为2.0时，微粒混凝土的抗压强度和弹性模量在0.0～1.2时下降缓慢，在0.2～2.0时下降迅速。在石灰比范围为0.0～1.0时抗压强度和弹性模量随其降低的变化率小，在石灰比1.0～2.0时变化率大，因此较大的石灰比(1.0～2.0)对微粒混凝土的抗压强度和弹性模量影响大。探究原因应是石灰的掺入降低了水泥与集料的比例，水泥含量相对减少，导致试块内部砂与砂之间的骨料粘结力不足，表现为材料力学性能指标的降低。

(a)抗压强度和石灰比关系

(b)弹性模量和石灰比关系图7 石灰比对抗压强度和弹性模量影响(水灰比=2.0)

3.3.2 确定相似试验材料配合比

试验结果表明，第二次试验方案中添加的熟石灰粉掺合料能够对一定水灰比的微粒混凝土材料的模型力学参数起到良好的调节作用，同时发现了最符合试验要求的参数配比，即试验组B1试块的弹性模量值为8.75 GPa，接近模型试验对隧道衬砌材料的要求，同时混凝土抗压强度值为3.11 MPa，为符合试验要求的配制方案。

3.3.3 抗压强度与弹性模量关系模型

为更进一步配制出满足模型试验的配比，对试验中微粒混凝土的测试结果拟合得到该方案下相似材料抗压强度与弹性模量公式。以水∶水泥∶砂=1.5∶1.0∶6.0为基础，用熟石灰做调节剂，对试验数据拟合得到抗压强度和弹性模量的经验公式，以指导微粒混凝土相似材料的配制。根据表4的结果，运用SPSS软件，得到回归方程：

Y=3.542-1.61x+0.067x2

Z=9.078+0.606x-1.213x2

式中:x、Y、Z分别为石灰比、试件抗压强度和试件弹性模量，回归方程的判定系数R2为0.96，理论计算值与试验值对比如图8所示，计算值和试验值能够较好的拟合，该方程可以指导设计盾构隧道模型要求的低抗压强度和低弹性模量微粒混凝土相似材料的成分配比。