鋼管凍土組合結構梁變形過程實驗研究★

李文勇 楊洪杰 吳嘉琪

(上海軌道交通十八號線發展有限公司，上海 200000)

在富含水地層中進行地鐵建設時，常用人工凍結法來改良地層，提高土體強度并隔絕地下水，為構筑施工提供圍護作用。施工中形成凍土的抗拉強度約為同溫度下抗壓強度的1/5～1/2，為了改善凍土結構的抗拉性能，常在凍土中添加鋼管而形成鋼管凍土復合結構，提高凍土的承載能力[1]。根據鋼管的直徑、間距及在凍土中位置，鋼管凍土復合結構又細分為管棚凍土結構、管幕凍土結構和鋼管凍土組合結構等，其中管棚凍土結構的鋼管位于凍土結構上邊緣，鋼管直徑小于其布置間距，鋼管為主要承載結構；管幕凍土結構中的鋼管直徑大于布置間距，常用頂管方法將大直徑鋼管頂入地層，而且鋼管間距小，形成凍土體積遠小于鋼管，凍土主要作用是封水。而在鋼管凍土組合結構中，鋼管一般布置在凍土的下邊緣，鋼管直徑較小且間隔較遠，形成凍土的體積遠大于鋼管體積，凍土與鋼管協同變形，共同發揮承載作用[2]。

國內外學者圍繞管棚凍土結構的力學性能開展了較多研究，研究結果表明加入鋼管之后凍土復合結構的抗彎承載力比未加鋼管前有較大提高，其承載能力和鋼管與凍土界面的粘結力大小有關。在砂性凍土與鋼管復合結構的實驗研究中發現鋼管凍土復合結構達到極限狀態時承載力比鋼管單體要高，而且鋼管凍土復合結構的承載力比純凍土梁和純鋼管梁的承載能力相比都大幅度提高，剛度也得到加強，在相同承載力條件下，采用管棚凍土復合結構可以降低凍結土方量，節約制冷費用[3]。而對于管幕凍土結構來說，受到凍結管直徑大的影響，凍土跟隨鋼管變形能力明顯與溫度有關，一般認為當凍土帷幕平均溫度控制在-10 ℃～-15 ℃范圍內時，可保證鋼管凍土復合結構變形協調，可明顯提高組合結構的承載力[4]。

已有研究多是以管幕凍土或者是管棚凍土的復合結構為研究對象，對于直徑較小鋼管與凍土的組合結構來說，相關的研究鮮有報道，特別是在組合結構變形過程中鋼管和凍土的協調變形方面開展的研究較少。本文以上海地鐵18號線江浦路段鋼管凍土施工工程為研究背景，通過室內模型實驗研究鋼管凍土組合結構的力學性能，分析結構在承載過程中的變形規律，供工程應用時參考。

1 實驗方案

1.1 實驗設計

實驗利用自行設計加工的試驗臺，進行單根鋼管凍土組合結構梁的實驗，梁的斷面尺寸(長×寬×高)1 400 mm×150 mm×200 mm，在距梁底部25 mm位置布置1根φ34 mm×2 mm鋼管。采用在現場取土運回實驗室，按照原來的含水量重塑后進行實驗，重塑土進行分層填筑和夯實，保證梁構件密度的均勻，在填土過程中將鋼管及傳感器等埋在相應設計位置。加工好的試件在-20 ℃下冷凍72 h后拆除模板，并在-12 ℃下恒溫48 h后開始實驗，以保證試件梁內部溫度的均勻性。將加工好的試件梁放置在平臺上滾動鉸支座與固定鉸支座之間，通過上部橫梁上的液壓千斤頂進行加載，荷載測量采用荷重傳感器，連接顯示控制器直接顯示荷載值。

1.2 測點布置

溫度測點布置在梁的跨中截面中心以及底部，來測試試件的溫度，鋼管應變測點布置在鋼管兩側。沿試件高度方向選擇5個截面布設光纖，進行凍土內部應變的測試，而試件梁的豎向位移采用位移計進行采集，分別布置在梁跨中和荷載施加點，測點具體布置如圖1所示。

1.3 實驗過程

參照GB/T 50152—2012混凝土結構試驗方法標準進行實驗，正式開始前先進行預加載，以檢驗所有傳感器是否正常工作。鋼管凍土組合結構梁預加載值設為4 kN，檢查所有儀器都能正常工作后正式進行加載。實驗采用力和位移分級控制加載，在構件達到極限荷載之前，每級荷載為估算極限荷載的10%，觀察時間為2 min。構件達到極限承載力之后，采用位移控制加載，每級位移3 mm，持續時間2 min，直至試驗梁破壞為止結束試驗。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗過程中梁的破壞過程描述

在實驗過程中，隨著荷載的增加，鋼管凍土組合結構梁的位移成近線性增長，初始加載階段的結構梁基本處于彈性變形階段。當荷載達到16 kN時，梁跨中位置底部開始出現裂紋，隨著荷載的增加，裂紋擴展不明顯，其主要原因是鋼管的存在承擔了增加的荷載，而凍土承擔的荷載增加較小，所以凍土應變增加較慢，梁底部裂紋基本未表現出擴展。當荷載增加到24 kN時，靠近加載位置的梁底部位置開始出現裂紋，其擴展形態與跨中位置的裂紋基本相同。當施加的荷載超過30 kN后，隨著荷載增加，梁底部位移增加較快，當荷載達到38.9 kN時，梁跨中位置裂紋突然貫通，緊接著兩側加載位置裂紋也擴展至梁頂部，而荷載值降至23 kN，此時可認為鋼管凍土組合結構梁發生破壞。為了測試組合梁的承載能力，通過千斤頂繼續增加荷載值，梁頂部的荷載傳感器測定值不再變化，維持在23 kN左右，但梁位移隨著加載而繼續增加。實驗結束時組合梁的裂紋分布如圖2所示。

從鋼管凍土組合結構梁的變形過程可以看出，在加載初始階段，較小的荷載引起梁的變形也相對較小，鋼管和凍土協同發揮承載作用，梁的整體位移與荷載近似成線性關系。隨著荷載增加，梁跨中位置先出現裂紋，但此時鋼管會發揮主要承載作用，凍土變形增加較小，梁跨中位置的裂紋擴展不明顯。當梁發生破壞時，鋼管凍土組合結構仍然能起到一定承載作用，與凍土結構的脆性破壞模式差別較大，說明鋼管的添加不僅可以提高組合結構的承載力，而且可以有效增加組合結構的延性，在結構破壞后仍能發揮部分承載性能，這對于工程施工中應對凍土結構破壞的風險的意義重大。

2.2 跨中截面應變分布研究

為了研究鋼管凍土組合結構梁在加載過程中的變形過程，選取跨中位置截面上的縱向應變進行分析。其中，P為實測荷載，Pmax為實測極限荷載，不同荷載條件下跨中截面的縱向應變的變化曲線如圖3所示，圖3中正值代表拉應變，負值表示壓應變，截面高度為距底部的距離。

從圖3可以看出，在同一荷載作用下，鋼管凍土組合結構梁的縱向應變值沿截面高度近似成線性分布，組合梁上部截面受壓，而下部截面受拉，這說明在整個橫截面的應變分布基本符合平截面假定。隨著荷載增加，截面上不同位置處的縱向應變都相應增大，遠離中間截面位置的應變增加更明顯，所以在梁的上端表現為最大壓應變，下端為最大拉應變。隨著荷載的增加，鋼管的承載作用逐步得到加強，截面的中性軸隨著荷載的增加而開始上移，特別是在裂紋出現后，拉應變主要由鋼管承擔，所以中性軸上升更明顯。

2.3 鋼管與凍土共同工作性能分析

為了進一步考察凍土與鋼管的共同工作性能，對鋼管表面應變與鋼管位置的凍土應變進行比較分析。實驗過程中，鋼管和凍土的應變變化過程如圖4所示。

從圖4中可以看出，荷載在5 kN以下時鋼管和凍土的變形協調一致，兩者的應變值相同，鋼管和凍土共同承受外部荷載；隨著荷載增加，凍土應變快速增加，而鋼管應變增長相對較緩慢，二者之間差別說明凍土和鋼管開始出現滑移，且二者應變差值隨荷載增加而越來越大。荷載超過16 kN后，凍土應變的增加速率明顯變大，表現為曲線的斜率變化大，說明此時凍土內部出現裂紋，此時凍土承擔的相應荷載轉移到鋼管上，也造成鋼管應變的增加。所以，當鋼管凍土組合結構梁承受荷載超過5 kN后，跨中位置處凍土與鋼管出現滑動分離，但仍能各自發揮承載作用；荷載超過16 kN后凍土出現裂縫而造成應變急劇增加，此時鋼管繼續發揮主要承載作用，這是鋼管凍土組合結構的承載能力遠高于凍土結構的直接原因。

3 結語

通過對鋼管凍土組合結構梁力學性能的實驗研究，得到以下結論：

1)鋼管凍土組合結構梁在加載過程中跨中底部位置先行開裂，破壞時在加載位置和跨中形成三道貫通裂紋。

2)加載過程中鋼管凍土組合結構梁橫截面上的應變分布仍符合平截面假定，中性軸會隨著荷載增加而上移。

3)鋼管凍土組合結構梁的鋼管與凍土出現滑動分離后，仍能承擔部分荷載，這是鋼管凍土組合結構的承載能力遠高于凍土結構的直接原因。