隧道二次襯砌混凝土配合比優化試驗及支護結構力學特性研究

王大剛

（中國電子工程設計院，北京100142）

隧道二次襯砌混凝土配合比優化試驗及支護結構力學特性研究

王大剛

（中國電子工程設計院，北京100142）

優化混凝土配比是混凝土設計的重要內容，對不同配合比條件下混凝土進行室內試驗，并對現場噴射混凝土進行物理參數測定，研究了混凝土抗壓強度隨水泥用量、外加劑和砂率等多因素條件變化規律，建立了多因素條件下混凝土抗壓強度數學模型，確定混凝土最佳配合比。采用有限元分析軟件ADINA，對丹東某隧道進行了開挖支護過程的數值模擬，研究了多種工況條件下，二次襯砌變形發展演化規律。研究結果對工程設計和施工具有良好指導意義。

均勻設計法；混凝土配合比；ADINA；二次襯砌

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

1 引言

隨著我國交通事業的快速發展，各地廣泛建設了高速公路工程。由于高速公路工程對道路線型要求較為嚴格，因此,在遇到山嶺等不利地形條件下，采用隧道成為首選的方法。由于混凝土工作性能不足和對支護機理認識不清，隧道塌方事故時有發生，因此,研究支護結構受力特點和機理成為重要的工程課題。

混凝土配合比設計必須達到4項基本要求,即:滿足力學性能（強度）要求;滿足工作性能（和易性）要求;滿足混凝土耐久性能要求;滿足經濟適用性能要求[1]。均勻設計方法應用于混凝土配合比設計中,根據對混凝土性能要求的不同靈活控制材料配比,提高工作效率[2～4]。本文對不同配合比條件下混凝土進行室內試驗，并對現場噴射混凝土進行物理參數測定，研究不同水灰比、水泥用量、砂率和外加劑對混凝土抗壓強度影響。選用混凝土最佳配合比，應用有限元軟件對丹東盤道嶺隧道二次襯砌支護結構進行受力模擬分析，研究不同荷載組合工況下，隧道二次襯砌變形量及荷載分布。研究結果對工程設計和施工具有良好指導意義。

2 試驗原材料力學性質檢測

2.1 水泥、砂子、碎石力學性質檢測

1）水泥：本試驗采用本溪南芬水泥廠生產的標號為32.5的早強硅酸鹽水泥。

2）砂子：選用符合規范且細度模數為2.0的河砂。

3）碎石：本試驗粗骨料選用碎石粒徑為16～31.5mm。

2.2 外加劑及摻量

試驗采用的是沈陽市華瑞混凝土外加劑有限公司研制的HM型多功能混凝土防水劑，摻量是2.5%。

3 混凝土配比均勻設計試驗結果

3.1 試驗過程

首先考慮正常條件下不加外加劑試拌，配制3組試塊：（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組的坍落度都較小，不能滿足隧道支護泵送施工要求，且第一組的抗壓強度沒有達標。通過采用外摻劑優化混凝土性能，以保證混凝土抗滲性能和坍落度滿足要求。

通過試配可知，影響混凝土強度的因素很多，本試驗在各單項類比試驗基礎上，考慮水泥（X1）、水灰比（X2）、砂率（X3）作為變量因素，防水劑外摻使用，欲配置坍落度（120±20）mm的混凝土試塊。水泥用量為400～472kg/m3（不包括摻和料）,水灰比為0.42～0.5，砂率為33.5%～38%，防水劑取2.5%,并將各自的用量范圍平分設置成10個水平,利用均勻設計法，選取水泥、水灰比、砂率3個影響因素，防水劑外摻使用，詳見表1。

表1 均勻設計表

3.2 均勻設計的回歸及其優化

采用的數學模型如下：

通過SPSS軟件中的非線性回歸分析法，計算回歸方程與回歸參數，經過回歸分析處理后得到的混凝土抗壓強度的回歸方程的殘差非常小。抗壓強度的回歸方程的復相關系數R2=1，這說明以復相關系數為準則的檢驗數提高了回歸方程的精度，并且可以比較準確地模擬和預測試驗的測量值。

在建立數學模型時，通常采用相關系數的大小來分析評價數學模型的準確性，相關系數在0～1之間，一般來說，相關系數越大，數學模型越合理。本文采用MATLAB數學軟件進行多元非線性回歸，相關數學模型方程為：

4 利用有限元程序ADINA進行二次襯砌的模擬分析

4.1 幾何模型

隧道設計寬度為11.5m，路面寬度為10.5m，凈高5m。本次數值計算支護結構采用C25鋼筋混凝土，相關物理力學參數由室內試驗和現場試驗得到，不考慮二次襯砌與圍巖及初期支護的相互耦合作用。在隧道施工實際條件下，通常將兩側立柱固定在圍巖底面，為模擬實際工作條件，本次數值計算時對兩側立柱進行固定約束處置[5]。

4.2 有限元計算結果分析

4.2.1 豎向荷載作用下彎矩與位移變化分析

隧道開挖施工后，會對圍巖進行初次襯砌，主要用來承擔圍巖荷載。初次襯砌在圍巖荷載作用下會產生彈性變形，二次襯砌能有效約束初次襯砌的彈塑性變形，但會產生內力。在進行數值計算時，首先考慮沒有側壓情況，二次襯砌在受到拱頂作用時，會發生較大的豎向撓曲形變，具體情況如圖1、圖2所示。隨時間發展，二次襯砌變形逐漸增加，呈正相關關系，并且拱頂處產生較多裂縫，隨著裂縫的發展和擴展，二次襯砌混凝土支護結構中鋼筋與混凝土發生了相互作用，提供了較大的抗拉能力，裂縫的發展受到限制，二次襯砌混凝土支護結構位移變形呈現線性變化；隨著荷載增加，二次襯砌受力后逐漸產生拉裂破壞，裂縫較大，表明二次襯砌混凝土支護結構具有較好的延性特征。

圖1 豎向荷載作用下的豎向撓度云圖

圖2 豎向位移云圖

4.2.2 最大等效應力變化規律

圖3 最大等效應力-側壓系數變化曲線

圖4 極限承載力-側壓系數變化曲線

圖3所示為最大等效應力隨側壓系數變化曲線，最大等效應力出現在二次襯砌最容易發生開裂的部位，這是由于此處最大等效應力接近混凝土強度。當側壓力系數約為0.1～0.4時，隧道襯砌結構最大等效應力變化不大；隨著側壓系數增大，最大等效應力迅速增大，并在1.3左右達到最大值；隨后，最大等效應力隨側壓力系數增加而減小；在側壓力系數大于2.0時，隧道襯砌結構最大等效應力基本不發生變化。當隧道圍巖側壓力系數為1時，等效應力值較大，表明所關注的單元主應力的偏差情況。

4.2.3 隧道襯砌結構極限承載力隨側壓力系數變化規律

隧道襯砌結構極限承載力隨側壓力系數變化規律如圖4所示。由圖4可以看出，當側壓力系數很小，約0.1～0.4時，隧道襯砌結構極限承載力變化隨側壓力系數變化不大；隨著側壓力系數提高，隧道襯砌結構極限承載力提高較為迅速，并在1.4左右達到最大值；隨后，隨側壓力系數繼續增加，隧道襯砌結構極限承載力非但沒有增加，反而減小；在側壓力系數大于2.0時，隧道襯砌結構極限承載力基本穩定。

5 結語

1）通過均勻設計試驗,篩選出主要影響參數，優化混凝土配合比，以使混凝土達到最佳性能；

2）對隧道混凝土二次襯砌結構進行數值模擬，確定結構的極限承載能力及其相關影響因素；

3）當側壓力系數為1.3時，隧道二次襯砌具有最大的承載能力，可以充分發揮混凝土材料的力學性能。

【1】梅松華，盛謙，馮夏庭.均勻設計在巖土工程中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004，23（16）：2694-2697.

【2】劉忠根，張登良，李世杰.均勻設計在SMA骨料級配設計中的應用[J].長安大學學報（自然科學版），2003，23（1）：1-6.

【3】姚通穩，趙海晉，李易進.利用均勻設計法確定最佳配料方案[J].建材技術與應用，2001，18（1）：17-18

【4】劉愛平、崔春龍、劉歲海、侯蘭杰.混凝土組構與力學性能關系的研究[J].巖土工程界，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

王大剛（1977～），男，黑龍江集賢人，高級工程師，從事建筑工程設計與研究，（電子信箱）44295743@qq.com。