李守巨，于 賀，杜洪澤

(1.大連理工大學工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024; 2. 沈陽工業(yè)大學建筑與土木工程學院，遼寧 沈陽 110870)

混凝土管片接頭是隧道襯砌中強度和剛度的薄弱部分，一般要求接頭的極限彎矩是管片極限彎矩的60%以上[1]。 管片接頭的螺栓使得管片在圓周方向上形成完整的管片環(huán)，除了滿足強度和剛度要求、保持管片環(huán)拼接后的形狀之外，還應(yīng)該具有良好的止水性能。研究表明，混凝土管片接頭的極限彎矩與混凝土的強度、管片的截面尺寸、連接螺栓的強度和面積、連接螺栓的位置、以及管片的軸力相關(guān)[2-3]。隨著對管片接頭的深入研究，發(fā)現(xiàn)軸力、彎矩、螺栓的位置、防水密封圈的材質(zhì)及尺寸等因素通過單獨或共同作用的方式對管片接頭的抗彎性能產(chǎn)生影響[4]。文獻[5]采用原型實驗方法研究了管片接頭極限承載力特性以及防水性能，文獻[6]分別從防水密封圈的材質(zhì)和尺寸出發(fā)，研究其防水性能和對管片拼裝的影響。文獻[7]通過管片接頭的原型實驗，研究了管片接頭抗彎剛度與管片內(nèi)力之間的關(guān)系。文獻[8]采用有限元模擬方法，分析了管片接頭數(shù)量和地層模量對混凝土管片彎矩承載特性的影響。文獻[9]研究了管片所在土層特性和接頭數(shù)量對管片極限承載力的影響，結(jié)果表明，隨著接頭數(shù)量的增加，會引起隧道襯砌中彎矩的明顯減小。文獻[10]提出了一種確定混凝土管片接頭旋轉(zhuǎn)剛度方法，文獻[11-12]考慮了土層-結(jié)構(gòu)的相互影響，通過實驗研究和有限元數(shù)值模擬方法，研究了襯砌混凝土管片的承載力特性。Oriol分析了管片環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相互影響，研究了相鄰環(huán)之間的耦合作用[13]。文獻[14]和文獻[15]分別研究了地震荷載作用下混凝土管片的動力響應(yīng)特性 。文獻[16-17]利用反演的方法，研究了等效地層損失率與地鐵隧道盾構(gòu)施工引起的地表沉降之間的關(guān)系。文獻[18]采用數(shù)值模擬方法，研究縱向接頭局部試驗的可行性，然后開展縱向接頭局部足尺試驗。文獻[19]建立了管片相應(yīng)模型模擬試驗加載過程，同時將數(shù)值分析結(jié)果與實測試驗結(jié)果的破壞模式對比分析。文獻[20]對鋼纖維混凝土和鋼筋混凝土高剛性管片接頭開展正彎矩試驗，研究鋼纖維對深埋排水盾構(gòu)隧道高剛性接頭受力性能的影響。本研究目的在于采用實驗室原型實驗方法，研究軸力對混凝土管片接頭極限彎矩的影響，分析管片接頭在加載過程中的破壞模式，討論管片接頭極限正負彎矩承載力特性。

1 管片接頭偏心受壓破壞實驗

考慮到瓊州海峽海底隧道，高水壓、大埋深地質(zhì)條件，以及實驗室能夠施加的軸力和彎矩實驗條件，實驗混凝土管片選定C60、C70和C80三種材料，管片厚度700mm，管片寬度500mm，管片接頭的長度1 800mm。接頭連接螺栓的直徑為38mm，其屈服強度為400MPa。為了準確了解混凝土管片材料的基本力學性能，進行了混凝土立方體試件的基本力學參數(shù)實驗，如表1所示?；炷凉芷宇^承載力特性實驗試件編號如表2所示，其中正彎矩表示連接螺栓的手孔位于圖1中的左側(cè)，負彎矩表示連接螺栓的手孔位于圖1中的右側(cè)。

表1 混凝土立方體試件的基本力學參數(shù)

表2 不同實驗所對應(yīng)的參數(shù)

從表1中可以看出，混凝土彈性模量隨著強度的增加而增大，根據(jù)表1中混凝土的彈性模量和極限抗壓強度，近似估算其極限壓應(yīng)變，混凝土試件的極限壓應(yīng)變?yōu)?.2%～0.22%，基本上與混凝土的標號無關(guān)，泊松比為0.25左右，基本上是常數(shù)，混凝土的抗拉強度與抗壓強度的比值為4%～5%，也就是大約1/20左右。

如圖1所示，混凝土管片接頭實驗平臺由底部剛性承臺、四周4根加載柱、頂部軸力液壓加載油缸、右側(cè)彎矩加載油缸等組成。正彎矩是指混凝土管片螺栓手孔(見圖2)位于圖1左側(cè)；負彎矩是指混凝土管片螺栓手孔(見圖2)位于圖1右側(cè)。管片接頭實驗首先通過頂部油缸施加預(yù)先確定的軸力，然后，通過右側(cè)的油缸對管片施加彎矩。同時，混凝土試件表面粘貼多個應(yīng)變片，在接頭處布置3個裂縫開度計，監(jiān)測接頭的開度。在實驗?zāi)Ｐ偷膫?cè)面，布置有管片接頭撓度計和裂縫開度計。

圖1 混凝土管片接頭實驗平臺

圖2 混凝土管片接頭螺栓布置斷面圖

如3圖所示，在管片接頭處，布置了水平撓度計，監(jiān)測加載過程中管片接頭的撓度變化，附近還有一個開度計，監(jiān)測管片接頭的最大開度變化。管片接頭螺栓引出兩根線，記錄連接螺栓中應(yīng)變在加載過程中的變化。

圖3 混凝土管片接頭撓度和開度測量

如圖2所示，混凝土管片接頭實驗試件分為上下兩部分，上部高度900mm，下部高度900mm，總長度900mm2=1 800mm，管片寬度500mm，管片厚度700mm。管片接頭為斜螺栓連接方式，如圖2所示，螺栓軸線與水平軸的夾角為60°。在實驗?zāi)Ｐ偷南掳氩?，預(yù)埋了連接螺栓錨固套筒，用于固定螺栓。接頭螺栓經(jīng)過管片內(nèi)的預(yù)留孔，然后經(jīng)手孔穿出，并預(yù)緊固定。在連接螺栓上粘貼應(yīng)變片，用于監(jiān)測螺栓的應(yīng)變，螺栓應(yīng)變片的導線通過在螺栓上的預(yù)制切槽引出。

2 管片接頭偏心受壓程實驗結(jié)果研究

管片接頭實驗平臺的右側(cè)彎矩加載油缸，采用多步位移加載模式對混凝土管片接頭施加彎矩荷載，如圖1所示，管片接頭的軸力采用補償方式使得軸力保持為常數(shù)。在實際加載過程中，控制的是右側(cè)彎矩加載油缸的伸長量，可以觀測垂直向上油缸輸出的力，然后乘以力臂(0.8m)經(jīng)過換算后，得到管片接頭施加的彎矩。

圖4 不同軸力條件下C80混凝土管片接頭彎矩隨撓度的變化

從圖4中可以看出，在預(yù)加的2 000kN軸力的作用下，混凝土內(nèi)產(chǎn)生了預(yù)壓應(yīng)力(5.7MPa)；隨著管片接頭彎矩的增加，撓度近似線性增加，一直持續(xù)到管片接頭彎矩接近極限值，當管片混凝土受壓區(qū)邊緣達到極限壓應(yīng)變0.2%～0.3%，管片彎矩接近最大值620kN·m、950kN·m和1 100kN·m；之后，盡管施加彎矩油缸的行程不斷增加，彎矩幾乎為常數(shù)，混凝土管片內(nèi)達到極限壓應(yīng)變的范圍逐步增加，混凝土內(nèi)主裂紋的長度不斷擴展，直至管片接頭失去承載能力。當軸力為1 000kN時，C80混凝土管片的極限正彎矩為620.23kN·m。當軸力為2 000kN時，C80混凝土管片的極限負彎矩為1 107.38kN·m，極限正彎矩為952.32kN·m。增加了53.54%～78.54%。

圖5 不同軸力條件下C70混凝土管片接頭彎矩隨撓度的變化

從圖5中可以看出，在開始階段對于C70混凝土管片接頭極限彎矩隨著軸力的增加而增加。由于混凝土材料特性的隨機性以及接頭接觸面光滑程度的不確定性，使得不同軸力下彎矩-撓度曲線相似性差異較大。當軸力為1 000kN時，C70混凝土管片的極限正彎矩為617.65kN·m。當軸力為2 000kN時，C70混凝土管片的極限負彎矩為1 137.10kN·m。增加了84.10%。

圖6 不同軸力條件下C60混凝土管片接頭彎矩隨撓度的變化

從圖6中可以看出，當軸力為1 000kN時，C60混凝土管片的極限負彎矩為790.80kN·m。當軸力為2 000kN時，C60混凝土管片的極限負彎矩為1 022.10kN·m。增加了29.29%。

圖7 混凝土管片垂直裂縫的擴展形態(tài)

圖7給出了C80混凝土當軸力為1 000kN、負彎矩時，管片接頭垂直裂縫的擴展特征。在混凝土試件出現(xiàn)裂縫破壞之前， 將混凝土近似成彈性材料，基于彈性力學理論，混凝土試件內(nèi)的水平拉應(yīng)力與垂直壓應(yīng)變的關(guān)系可以近似表示為

σt=μεcE

(1)

式中:μ為泊松比，εc混凝土的垂直壓應(yīng)變，E為混凝土的彈性模量。

根據(jù)公式(1)當混凝土的垂直應(yīng)變達到εc=0.04%時，遠小于極限壓應(yīng)變(εcu=0.2%)，水平拉應(yīng)力已經(jīng)達到其極限抗拉強度(4.0MPa)，使得混凝土管片在被壓碎之前，水平拉應(yīng)力超過了混凝土抗拉強度，出現(xiàn)垂直裂縫，如圖7所示。在管片接頭處會出現(xiàn)垂直向上的2條主裂縫，隨著彎矩的逐步增加，2條主裂縫會不斷擴展，直至混凝土管片接頭失去承載能力。

圖8 混凝土管片接頭受壓區(qū)混凝土被壓碎

圖8給出了C70混凝土當軸力為2 000kN、正彎矩時，混凝土管片接頭的破壞形態(tài)。從圖8中可以看出，混凝土受壓區(qū)邊緣，大約180mm高、寬70mm三角形范圍內(nèi)混凝土被壓碎，混凝土管片接頭破壞形態(tài)與軸力的大小相關(guān)。

圖9 混凝土管片接頭破壞特征

從圖9中可以看出，對于C60混凝土、軸力1 000kN、負彎矩條件下，在混凝土管片受壓區(qū)出現(xiàn)3條主裂縫，其中2條首先出現(xiàn)的主裂縫距離管片邊緣120mm左右，垂直擴展高度40mm；另一條后來出現(xiàn)主裂縫距離管片邊緣280mm左右，一直垂直擴展到實驗?zāi)Ｐ偷捻敳?。該裂縫的起始位置靠近混凝土管片接頭螺栓孔的位置，管片內(nèi)螺栓孔的存在引起應(yīng)力集中，在一定程度上削弱了管片的承載能力。

對比不同混凝土標號試件的極限彎矩可以看出，隨著混凝土標號的增加，管片接頭的極限彎矩增加；隨著軸力的增加，混凝土管片的極限彎矩增加。由于管片接頭連接螺栓近似位于接頭的中心部位，管片接頭的正負彎矩極限值差異較小。混凝土管片接頭破壞形式的共性是產(chǎn)生拉伸裂縫，某些試件出現(xiàn)局部壓碎破壞，附加拉伸裂縫。受實驗樣本數(shù)目的限制，更多的破壞機理研究有待進一步深入探討。

3 結(jié)論

在軸力和彎矩的共同作用下，混凝土管片接頭會存在2種破壞模式。破壞模式1，在混凝土達到極限壓應(yīng)變之前，混凝土的水平拉應(yīng)力已經(jīng)超過了其極限抗拉強度，在管片接頭處會出現(xiàn)垂直向上的多條主裂縫，隨著彎矩的逐步增加，主裂縫會不斷擴展，直至混凝土管片接頭失去承載能力。破壞模式2，管片接頭受壓區(qū)邊緣的混凝土首先達到極限壓應(yīng)變，隨著彎矩的逐漸增加，受壓區(qū)的混凝土被逐漸壓碎。管片接頭的具體破壞模式與極限彎矩與軸力的比有關(guān)，也與混凝土的強度有關(guān)，同時具有一定的離散性。實驗研究結(jié)果表明，管片接頭的極限彎矩隨軸力的增加而增加，與軸力1 000kN時管片接頭極限彎矩相對比，軸力2 000kN時C60、C70和C80混凝土的管片接頭極限彎矩分別提高了29.29%、84.10%和53.34%～78.54%。