纖維混凝土襯砌抗震性能模型試驗(yàn)研究

苗 杰，王飛朋

(運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000)

隨著我國(guó)山區(qū)交通建設(shè)持續(xù)深入推進(jìn)，隧道施工中跨越斷層情況不斷涌現(xiàn)，如在建麗香鐵路中義隧道(穿越玉龍雪山西麓斷裂)、玉磨鐵路新平隧道(穿越建水?dāng)嗔?、綿茂公路系列隧道(穿越龍門山四大斷裂帶)及川藏鐵路系列隧道(穿越龍門山、鮮水河、理塘、巴塘、八宿、雅江等斷裂帶)等。

斷層按其活動(dòng)性可分為活動(dòng)斷層和非活動(dòng)斷層。導(dǎo)致跨活動(dòng)斷層隧道震害的主要因素是斷層錯(cuò)動(dòng)(地震慣性力次之)，其抗震設(shè)防設(shè)計(jì)主要聚焦在提高隧道的抗錯(cuò)斷性能方面；跨非活動(dòng)斷層隧道震害主要為襯砌開裂、剝落、掉塊等類型，導(dǎo)致震害的因素主要是地震慣性力和強(qiáng)制位移，其抗震設(shè)防設(shè)計(jì)主要聚焦在提高隧道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性方面[1-2]。隧道穿越斷層修建，大多數(shù)為非活動(dòng)斷層[3-4]，因此，如何進(jìn)一步提高跨非活動(dòng)斷層隧道的抗震性能是目前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

國(guó)內(nèi)有關(guān)專家、學(xué)者對(duì)斷層隧道的施工技術(shù)進(jìn)行了部分研究。劉敦文等[5]以玉石高速某山嶺隧道為背景，根據(jù)光面爆破以及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，最終總結(jié)出一套適用于節(jié)理裂隙發(fā)育、穿越破碎帶斷層的山嶺隧道光面爆破方案。占時(shí)春等[6]為解決露天采場(chǎng)邊坡破碎帶爆破預(yù)裂效果較差并且有爆破產(chǎn)生的振動(dòng)等問題，采用延時(shí)爆破理論，結(jié)合預(yù)裂爆破成縫機(jī)理，最終通過對(duì)比試驗(yàn)得到預(yù)裂孔逐孔起爆優(yōu)于同時(shí)起爆。肖景紅等[7]以崗嶺隧道穿越破碎帶施工為背景，采用基于收斂-約束法的縱向位移剖面法和強(qiáng)度校核法研究圍巖于支護(hù)穩(wěn)定，為小凈距隧道的施工工藝和支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。頡永斌等[8]在考慮斷層破碎帶的幾何特征和圍巖特性前提下，通過筒倉(cāng)理論和地層應(yīng)力分布特征，結(jié)合荷載簡(jiǎn)化計(jì)算模型，得到斷層破碎帶處隧道沿縱向的變形和受力特征。余永強(qiáng)等[9]以關(guān)角隧道穿越破碎帶施工為背景，對(duì)隧道開挖中的爆破振動(dòng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)并得到了該地層爆破地震波的傳播規(guī)律，據(jù)此提出減小震動(dòng)破壞的措施。

目前，隧道洞口段襯砌應(yīng)用纖維混凝土進(jìn)行抗震設(shè)防研究較多，而隧道非活動(dòng)斷層段纖維混凝土襯砌的抗震性能的研究鮮有報(bào)道。本文依托某隧道跨越斷層段工程，對(duì)非活動(dòng)斷層段隧道纖維混凝土襯砌的抗震性能進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究，這對(duì)強(qiáng)震山區(qū)交通生命線抗震減災(zāi)能力的提高有著重要的意義。

1 工程概況

隧道位于西部盆地邊緣構(gòu)造侵蝕中山區(qū)，隧址區(qū)地形起伏變化較大，抗震設(shè)防烈度為8度。F1斷層為東南傾向，傾角81°，非活動(dòng)斷層，破碎帶由斷層角礫和斷層泥組成，寬度為13.96～16 m，隧道圍巖等級(jí)為V級(jí)。F1斷層上下盤主要由雷口坡組灰?guī)r及須二段砂巖構(gòu)成，Ⅳ級(jí)圍巖。

隧道為馬蹄形斷面，高度為9.79 m，跨度為11.54 m。初支采用厚20 cm的C20噴射混凝土，二襯采用厚50 cm的C25模注混凝土。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)分組

為研究隧道非活動(dòng)斷層段纖維混凝土襯砌的抗震性能，采用對(duì)比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)在兩方向兩自由度水平振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)(ES-300型)上進(jìn)行。試驗(yàn)臺(tái)尺寸為長(zhǎng)×寬=2 m×2 m，最大負(fù)載為6 t，最大位移為76 mm，最大加速度為5g(非滿載)和3g(滿載)，頻率范圍為0.1～170 Hz。

試驗(yàn)箱尺寸為長(zhǎng)×寬×高=1.8 m×1.8 m×1.5 m。為消減試驗(yàn)箱的邊界效應(yīng)，在箱體四周布設(shè)厚度10 cm的聚苯乙烯泡沫板。

試驗(yàn)量測(cè)傳感器采用電阻應(yīng)變片(BX120-3AA型)、微型壓力盒(DYB-1型)和單向加速度計(jì)(TST1010L型)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)(DH5922D型)。

2.3 試驗(yàn)相似設(shè)計(jì)

2.3.1 相似比設(shè)計(jì)

為消減試驗(yàn)箱邊界效應(yīng)，綜合考慮試驗(yàn)箱尺寸和隧道模型跨度，試驗(yàn)幾何相似比取30。本次試驗(yàn)采用石膏混合料模擬隧道襯砌，容重相似比取1.5，彈性模量相似比取45。其他主要物理量按相似準(zhǔn)則進(jìn)行換算，應(yīng)力、黏聚力相似比為45；應(yīng)變、泊松比、內(nèi)摩擦角相似比為1；時(shí)間相似比為5.477，荷載相似比為40 500；力矩相似比為1 215 000。

2.3.2 相似材料

鋼筋混凝土二襯模型試件采用水膏比為0.588的石膏混合料模擬，鋼筋網(wǎng)采用φ8成品雙層鋼絲網(wǎng)模擬，如圖1所示。

圖1 鋼筋混凝土二襯模型制作

在石膏摻和料中摻入特制試驗(yàn)用鋼纖維和玄武巖纖維制作鋼纖維混凝土二襯和鋼-玄武巖混雜纖維混凝土二襯模型試件。試驗(yàn)所用鋼纖維長(zhǎng)度15 mm，抗拉強(qiáng)度≥2 500 MPa，彈性模量220 GPa，密度25 kg/m3，玄武巖纖維長(zhǎng)度為12 mm，抗拉強(qiáng)度≥2 000 MPa，彈性模量85 GPa，密度2.75 kg/m3，如圖2所示，襯砌模型試件力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2 試驗(yàn)用纖維

表2 模型試件主要力學(xué)參數(shù)

斷層上下盤圍巖(Ⅳ級(jí)圍巖)采用粉煤灰、河砂、機(jī)油(6∶3∶1)的熱融混合料進(jìn)行相似模擬，其力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 斷層上下盤圍巖相似材料力學(xué)參數(shù)

斷層破碎帶主要由斷層角礫和斷層泥組成，考慮到實(shí)際的破碎情況，試驗(yàn)采用粒徑為1.2～1.5 cm的礫石進(jìn)行模擬。

2.4 試驗(yàn)動(dòng)力荷載

試驗(yàn)輸入動(dòng)力荷載選用汶川地震臥龍測(cè)站實(shí)測(cè)地震波(南北向)，調(diào)幅為7度地震波，經(jīng)相似變換、濾波及基線校正，輸入波如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)動(dòng)力荷載

2.5 試驗(yàn)量測(cè)布置

為研究隧道非活動(dòng)斷層段纖維混凝土襯砌的抗震性能，在破碎帶中部布設(shè)C監(jiān)測(cè)斷面，在斷層上盤布設(shè)A和B監(jiān)測(cè)斷面，在斷層下盤布設(shè)D和E監(jiān)測(cè)斷面，如圖4所示。在各監(jiān)測(cè)斷面拱頂、邊墻中部及仰拱中部布設(shè)微型壓力盒(Y)；在拱頂布設(shè)縱向應(yīng)變片(L)和橫向應(yīng)變片(H，二襯內(nèi)外側(cè)成對(duì)布設(shè))；在仰拱中部布設(shè)單向加速度計(jì)(J)。為準(zhǔn)確反映試驗(yàn)箱巖土體及隧道結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力特性，在試驗(yàn)箱底板中部布設(shè)單向加速度計(jì)。

圖4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 地震動(dòng)峰值加速度

提取3工況各加速度測(cè)點(diǎn)及試驗(yàn)箱底板中部測(cè)點(diǎn)加速度監(jiān)測(cè)時(shí)程，以工況2的 C斷面(破碎帶中部)為例，如圖5所示。

圖5 輸出加速度時(shí)程

提取各加速度測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線地震動(dòng)峰值(PGA)(見表4)，計(jì)算各工況各仰拱中部加速度測(cè)點(diǎn)的PGA放大系數(shù)(以試驗(yàn)箱底板中部測(cè)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，此點(diǎn)PGA為101.2 gal)，并計(jì)算工況2和工況3的PGA放大系數(shù)相對(duì)工況1的增大百分比，如表4所示。

表4 地震動(dòng)峰值加速度放大系數(shù)及增大百分比

由表4可知：

1)工況2各加速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震動(dòng)峰值加速度及放大系數(shù)均最大，工況3略小于工況2，工況1最小，這主要由各工況圍巖-襯砌間剛度差不同造成的，圍巖-襯砌間剛度差由大至小為：工況2、工況3、工況1，圍巖-襯砌間剛度差越大，地震波傳播的界面放大效應(yīng)越明顯。

2) 3工況在隧道縱向的試驗(yàn)規(guī)律基本一致，破碎帶監(jiān)測(cè)斷面C的PGA及放大系數(shù)最大，遠(yuǎn)大于上下盤監(jiān)測(cè)斷面，這主要是圍巖-襯砌間剛度差不同以及不同圍巖巖性垂直放大效應(yīng)不同造成的，破碎帶圍巖-襯砌間剛度差遠(yuǎn)大于上下盤圍巖-襯砌間剛度差，破碎帶圍巖的垂直放大效應(yīng)大于上下盤圍巖的垂直放大效應(yīng)；上盤監(jiān)測(cè)斷面(A和B)的PGA及放大系數(shù)略大于下盤監(jiān)測(cè)斷面(D和E)，這主要是由地震的上盤效應(yīng)造成的。工況2和工況3在破碎帶段，隧道襯砌PGA放大系數(shù)增大10%～15%；在上下盤部分，隧道襯砌PGA放大系數(shù)增大5%～10%。

3.2 接觸應(yīng)力

提取3工況各拱頂測(cè)點(diǎn)接觸應(yīng)力監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線，以工況1的 B斷面為例，如圖6所示。

圖6 輸出接觸應(yīng)力時(shí)程

提取各工況拱頂測(cè)點(diǎn)接觸應(yīng)力時(shí)程曲線峰值(見表5)。計(jì)算工況2和工況3拱頂測(cè)點(diǎn)接觸應(yīng)力峰值相對(duì)工況1的增大百分比。

表5 接觸應(yīng)力峰值增大百分比

由表5可知：

1)工況2各監(jiān)測(cè)斷面拱頂測(cè)點(diǎn)接觸應(yīng)力峰值最大，工況3略小于工況2，工況1最小。采用纖維混凝土襯砌的工況2和工況3，隧道襯砌的強(qiáng)度和韌性得到加強(qiáng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)限制圍巖變形的能力隨之提高，相應(yīng)地作用在襯砌上的形變壓力也有所增加。工況2和工況3在破碎帶段，隧道襯砌接觸應(yīng)力峰值增大35%～40%；在上下盤部分，隧道襯砌接觸應(yīng)力峰值增大20%～30%。

2) 3工況在隧道縱向的試驗(yàn)規(guī)律基本一致，破碎帶監(jiān)測(cè)斷面C的接觸應(yīng)力峰值最大，遠(yuǎn)大于上下盤監(jiān)測(cè)斷面，這主要是圍巖巖性不同造成的。破碎帶圍巖自承能力遠(yuǎn)低于上下盤圍巖，破碎帶段襯砌所承受的松動(dòng)壓力和形變壓力也遠(yuǎn)大于上下盤隧道襯砌；破碎帶圍巖的垂直放大效應(yīng)大于上下盤圍巖，破碎帶段襯砌及上方巖柱所承受地震慣性力也遠(yuǎn)大于上下盤部分。

3.3 縱向應(yīng)變

提取3工況各測(cè)點(diǎn)縱向應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)程，以工況1的D斷面為例，如圖7所示。

圖7 輸出縱向應(yīng)變時(shí)程

提取3工況各測(cè)點(diǎn)縱向應(yīng)變時(shí)程曲線峰值(見表6)。計(jì)算工況2和工況3各測(cè)點(diǎn)縱向應(yīng)變峰值相對(duì)工況1的減小百分比。

表6 縱向應(yīng)變峰值減小百分比

由表6可知：

1)工況1各測(cè)點(diǎn)縱向應(yīng)變峰值最大，工況3次之，工況2略小于工況3。采用纖維混凝土襯砌的工況2和工況3，支護(hù)結(jié)構(gòu)得到增強(qiáng)、增韌，支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力增強(qiáng)。工況2和工況3在破碎帶段，隧道襯砌縱向應(yīng)變峰值減小30%～40%；在上下盤部分，隧道襯砌縱向應(yīng)變峰值減小20%～30%。

2) 3工況在隧道縱向的試驗(yàn)規(guī)律基本一致，破碎帶監(jiān)測(cè)斷面C的縱向應(yīng)變峰值最大，遠(yuǎn)大于上下盤監(jiān)測(cè)斷面，這主要是圍巖巖性不同造成的，破碎帶段圍巖破碎、松散，圍巖-襯砌間地震慣性相互作用和運(yùn)動(dòng)相互作用明顯，破碎帶段襯砌所承受的地震慣性力與強(qiáng)制位移均較大。

3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力

提取3工況各監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)外側(cè)橫向應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)ε，根據(jù)

N=Eεbh

(1)

(2)

KN≤φαR0bh

(3)

式中：b為單位長(zhǎng)度；h為襯砌厚度；E為襯砌彈性模量；K為安全系數(shù)；R0為混凝土極限抗壓強(qiáng)度，φ為縱向彎曲系數(shù)；α為軸向力偏心影響系數(shù)。

以工況2的 E斷面為例計(jì)算各工況各測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)軸力(N)、彎矩(M)及安全系數(shù)(K)時(shí)程曲線[10],如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)輸出內(nèi)力時(shí)程

提取3工況各測(cè)點(diǎn)襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值(見表7)。計(jì)算工況2、3(相對(duì)工況1)各測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)最小值增大百分比(即抗震提升效果)，如表7所示。

表7 安全系數(shù)最小值增大百分比

由表7可知：

1)整體上，工況1各測(cè)點(diǎn)安全系數(shù)最小值最小，工況3次之，工況2略大于工況3。從隧道縱向看，破碎帶監(jiān)測(cè)斷面C的安全系數(shù)最小值最小，遠(yuǎn)小于上下盤監(jiān)測(cè)斷面；上盤監(jiān)測(cè)斷面安全系數(shù)最小值略小于下盤監(jiān)測(cè)斷面，這主要是由地震的上盤效應(yīng)造成的。

2)破碎帶段隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性主要由圍巖-襯砌間的地震慣性相互作用和運(yùn)動(dòng)相互作用共同控制，襯砌采用纖維混凝土后，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性均得到提高，支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗地震慣性力和強(qiáng)制位移的能力增強(qiáng)，破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)安全性提升明顯。工況2和工況3在破碎帶段，隧道襯砌安全系數(shù)最小值增大(抗震提升效果)30%～35%。

3)由于上下盤圍巖-襯砌間剛度差遠(yuǎn)小于破碎帶圍巖-襯砌間剛度差，上下盤隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性主要由地震慣性相互作用控制為主，運(yùn)動(dòng)相互作用控制次之。襯砌采用纖維混凝土后，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和韌性均得到提高，支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗地震慣性力的效果明顯，因上下盤圍巖-襯砌間運(yùn)動(dòng)相互作用較破碎帶段弱，纖維混凝土襯砌的增韌效果在抵抗強(qiáng)制位移方面發(fā)揮不明顯(相較破碎帶段)，因此，上下盤隧道襯砌安全系數(shù)最小值增大百分比小于破碎帶段。工況2和工況3在上下盤部分，隧道襯砌安全系數(shù)最小值增大(抗震提升效果)20%～30%。

4)在纖維體積摻量相同條件下，工況2的抗震效果略優(yōu)于工況3，這主要是因?yàn)殇摾w維混凝土的增強(qiáng)作用優(yōu)于鋼-玄武巖混雜纖維混凝土，增韌作用略劣于鋼-玄武巖混雜纖維混凝土。

4 結(jié)論

1)破碎帶段隧道襯砌地震動(dòng)峰值加速度放大系數(shù)及接觸應(yīng)力峰值增大分別在10%～15%和35%～40%，縱向應(yīng)變峰值減少30%～40%；上下盤隧道襯砌地震動(dòng)峰值加速度放大系數(shù)及接觸應(yīng)力峰值增大分別在5%～10%和20%～30%，縱向應(yīng)變峰值減少20%～30%。

2)破碎帶段，纖維混凝土增強(qiáng)增韌的優(yōu)異性能發(fā)揮顯著，破碎帶段隧道結(jié)構(gòu)的安全性提升明顯，纖維混凝土襯砌的抗震提升效果30%～35%。

3)上下盤圍巖段，纖維混凝土襯砌的增韌效果在抵抗強(qiáng)制位移方面發(fā)揮不明顯(相較破碎帶段)。纖維混凝土襯砌的抗震提升效果20%～30%。

4)由于鋼纖維混凝土抗震提升效果要好于鋼-玄武巖混雜纖維混凝土，因此在隧道跨越斷層帶施工時(shí)建議優(yōu)先采用鋼纖維混凝土襯砌。