對(duì)隧道襯砌裂縫擴(kuò)展機(jī)理探析

侯一晨

(福州市公路局永泰分局)

1 試驗(yàn)方案

經(jīng)過(guò)對(duì)G104線福馬隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析可知，最不利部位襯砌結(jié)構(gòu)截面受力狀況與一般扁坦馬蹄形隧道相同，承受大、小偏心兩種受力狀態(tài)，大部分截面為小偏心受力，僅在拱腳截面附近為大偏心受力，并且最危險(xiǎn)截面位于拱腳，將發(fā)生受拉破壞。據(jù)此，試驗(yàn)中選擇最危險(xiǎn)截面的大偏心受力狀態(tài)進(jìn)行裂縫開(kāi)展試驗(yàn)。

模型編號(hào):CZ0(不銹蝕構(gòu)件)，CZ1，CZ2，CZ3，CZ4，CZ5;根據(jù)鋼筋實(shí)際銹蝕率檢測(cè)方法，偏心柱鋼筋模型試件的實(shí)際鋼筋銹蝕率如表1所列。模型構(gòu)件尺寸如圖1所示。

表1 模型試件鋼筋銹蝕率

圖1 模型構(gòu)件設(shè)計(jì)圖

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 無(wú)銹蝕鋼筋偏心受壓構(gòu)件裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)

(1)CZ0模型試件加載破壞后開(kāi)裂初期橫截面方向3條裂縫，平均間距約為12cm，在加載過(guò)程中由此形成以3條裂縫為中心的裂縫帶，約有10條裂縫，開(kāi)展深度 2.5～25.0cm，主裂縫最后在受壓區(qū)相匯、貫通。

(2)CZ0模型試件數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)中采用JC-100型裂縫讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行量測(cè)，對(duì)中部開(kāi)裂的裂紋進(jìn)行了全程量測(cè)，開(kāi)裂荷載為90kN，所加荷載在390kN(約為極限荷載的82.5％)以下時(shí)，裂縫寬度隨荷載增加幅度無(wú)明顯拐點(diǎn)，此時(shí)裂縫寬度達(dá)到0.293mm，超過(guò)390kN后裂縫寬度增加幅度加大，最后破壞時(shí)裂縫寬度達(dá)到0.58mm。不同應(yīng)力水平下裂縫擴(kuò)展速度曲線，從曲線圖形上分析認(rèn)為:可以將裂紋擴(kuò)展速度隨荷載增加分成3個(gè)階段:穩(wěn)定階段，變速階段，劇變階段。當(dāng)荷載在240kN(約為極限荷載的50.0％)以下時(shí)裂縫為穩(wěn)定發(fā)展階段，即裂縫擴(kuò)展將趨于穩(wěn)定;當(dāng)荷載在240～390kN(約為極限荷載的50.0％～82.5％)之間時(shí)，裂縫擴(kuò)展速度不穩(wěn)定，也是隧道襯砌結(jié)構(gòu)處理裂縫的關(guān)鍵階段，如果在這個(gè)階段不對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)加固，則會(huì)由于裂縫擴(kuò)展的進(jìn)一步加速影響襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，繪制裂縫寬度隨加載時(shí)間加速度變化曲線圖，變化曲線在加載為390kN(約為極限荷載的82.5％)處出現(xiàn)加速點(diǎn)，此荷載為裂縫突變的臨界點(diǎn)。

2.2 銹蝕鋼筋受壓構(gòu)件裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)

(1)CZ1模型試件裂縫擴(kuò)展情況

模型試件加載破壞后的情形，開(kāi)裂初期主要呈現(xiàn)橫截面方向3條裂縫，平均間距約為7.5 em，在加載過(guò)程中由此形成3條裂縫帶，約有16條裂縫，開(kāi)展深度1.5～25 em，主裂縫最后在受壓區(qū)相匯、貫通。

(2)CZ1模型試件數(shù)據(jù)分析

CZ1模型試件經(jīng)過(guò)240h的鋼筋銹蝕，實(shí)際鋼筋銹蝕率為6.48％，試驗(yàn)中采用JC-100型裂縫讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行量測(cè)，對(duì)中部開(kāi)裂的裂紋進(jìn)行了全程量測(cè)，繪制出裂縫寬度隨荷載變化圖，開(kāi)裂荷載為115kN，所加荷載在420kN(約為極限荷載的86.5％)以下時(shí)，裂縫寬度隨荷載增加幅度比較穩(wěn)定，此時(shí)裂縫寬度達(dá)到0.183mm，超過(guò)420kN后裂縫寬度增加幅度加大，最后破壞時(shí)裂縫寬度達(dá)到0.551mm。繪制不同應(yīng)力水平下裂縫擴(kuò)展速度曲線，從曲線圖形上分析認(rèn)為:可以將裂紋擴(kuò)展速度隨荷載增加分成3個(gè)階段:穩(wěn)定階段，變速階段，劇變階段。當(dāng)荷載在180kN(約為極限荷載的37.0％)以下時(shí)裂縫為穩(wěn)定發(fā)展階段，即裂縫擴(kuò)展將趨于穩(wěn)定;當(dāng)荷載在180～420kN(約為極限荷載的37.0％～86.5％)時(shí)，裂縫擴(kuò)展速度不穩(wěn)定，也是隧道襯砌結(jié)構(gòu)處理裂縫的關(guān)鍵階段，如果在這個(gè)階段不對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)加固，則會(huì)由于裂縫擴(kuò)展的進(jìn)一步加速而影響襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，繪制裂縫寬度隨加載時(shí)間加速度變化曲線圖，變化曲線在加載為420kN(約為極限荷載的86.5％)處出現(xiàn)加速點(diǎn)，此荷載為裂縫突變的臨界點(diǎn)。

2.3 偏心受壓構(gòu)件模型試驗(yàn)裂縫擴(kuò)展規(guī)律

(1)模型試件開(kāi)裂荷載大小

對(duì)試件CZ0～CZ5進(jìn)行裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)，裂縫開(kāi)裂量測(cè)，結(jié)果列于表2。

沒(méi)有進(jìn)行鋼筋銹蝕的試件開(kāi)裂荷載最小，開(kāi)裂隨著鋼筋實(shí)際銹蝕率的增加而增加，超過(guò)20％的試件CZ4和CZ5其開(kāi)裂荷載為150kN，比CZ0的開(kāi)裂荷載增加66.7％，銹蝕前的制作過(guò)程中并無(wú)差別。從表3可以看出，加載速度相差不明顯，其原因可能為各試件在水中浸泡的時(shí)間不同，混凝土在水中抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度快于非水中抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)，由此時(shí)間越久初始開(kāi)裂荷載值越大。

表2 各模型試件開(kāi)裂荷載 kN

表3 各模型試件達(dá)到開(kāi)裂荷載前的加載速度kN/min

(2)不同試件同一加載荷載值下裂縫開(kāi)展寬度比較對(duì)試件CZ0～CZ5進(jìn)行裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)，通過(guò)裂縫開(kāi)裂量測(cè)，各試件在不同加載水平下的裂縫寬度比較，除所加荷載值為450kN的裂縫寬度外，其余荷載水平下的寬度曲線具有相似性，可以用4次多項(xiàng)式曲線y=bx4+cx3+dx2+ex+f來(lái)擬合。除CZ1裂縫寬度變化曲線有突變外，其余試件的寬度變化曲線具有相似性，可以用3次多項(xiàng)式曲線y=ax3+bx2+cx+d來(lái)擬合。

(3)不同試件同一加載荷載值下裂縫開(kāi)展速度比較試件CZ0～CZ5進(jìn)行裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)，通過(guò)裂縫開(kāi)裂量測(cè)，各試件在不同加載水平下的裂縫擴(kuò)展速度，除所加荷載超過(guò)420kN后的裂縫擴(kuò)展速率超過(guò)0.02 ram/rain，其余荷載水平下的裂縫擴(kuò)展速率都在0.02mm/min以下，試件模型CZ3在各個(gè)荷載水平下的擴(kuò)展速率相差較大。

(4)不同試件同一加載荷載值下裂縫開(kāi)展加速度比較對(duì)試件CZ0～CZ5進(jìn)行裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)，通過(guò)裂縫開(kāi)裂量測(cè)，各試件不同加載水平的裂縫擴(kuò)展速度比較，除所加荷載超過(guò)420kN后的裂縫擴(kuò)展加速度超過(guò)0.005mm/min，其余荷載水平下的裂縫擴(kuò)展加速度都在0.005mm/min以下試件模型CZ3在各個(gè)荷載水平下的擴(kuò)展，加速度相差比較大，在破壞階段未出現(xiàn)加速度急劇加大情況。

以上對(duì)偏心受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了一些有益結(jié)論。襯砌裂縫監(jiān)測(cè)是隧道健康安全運(yùn)行保障的重要手段之一，G104線福馬隧道將在幾處風(fēng)化深槽/風(fēng)化囊圍巖破碎軟弱區(qū)的襯砌處設(shè)立裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本次試驗(yàn)中得到的裂縫擴(kuò)展寬度，裂縫擴(kuò)展速度及加速度，將為其裂縫監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)。

3 結(jié)論

(1)不同模擬試件的開(kāi)裂荷載最小，開(kāi)裂隨著鋼筋實(shí)際銹蝕率的增加而增加;

(2)分析了裂縫開(kāi)展的三個(gè)階段;穩(wěn)定階段，變速階段和劇變階段;

(3)試驗(yàn)中模型裂縫開(kāi)展寬度隨加載變化可用多項(xiàng)式來(lái)近似地?cái)M合;

(4)各個(gè)模型試件在裂縫看度小于0.2mm時(shí)裂縫擴(kuò)展都處于穩(wěn)定階段，建議作為襯砌混凝土限裂設(shè)計(jì)中裂縫允許寬度的上限。試驗(yàn)中得到裂縫擴(kuò)展寬度，裂縫擴(kuò)展速度及加速度將為裂縫監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)。

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