楊振丹,黃海峰,曹幫俊,朱雙燕,周鵬發(fā),連 正,杜明哲
(1.天津軌道交通集團(tuán)有限公司,天津 300392;2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)
為滿足振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)對(duì)大比例縮尺模型的要求,保證模型結(jié)構(gòu)和原型結(jié)構(gòu)的相似,模型結(jié)構(gòu)一般需要按照白金漢定理進(jìn)行相似縮尺設(shè)計(jì)[1]。當(dāng)結(jié)構(gòu)的幾何縮尺比例根據(jù)實(shí)驗(yàn)室激振設(shè)備的限制條件確定后,作為在相似理論中同樣是獨(dú)立變量的結(jié)構(gòu)材料彈性模量,其參數(shù)的合理選取對(duì)最終模型試驗(yàn)整體相似關(guān)系的準(zhǔn)確建立起到了關(guān)鍵作用[2]。在振動(dòng)臺(tái)上的模型由于尺寸較小,模型材料主要采用由中砂或粒徑較小的碎石,通過膠凝材料混合而成的混凝土及微?;炷羀3]。微?;炷潦菍⒂伤唷胶狭吓c外加劑等組成的膠凝材料、良好級(jí)配骨料和水三者依照恰當(dāng)?shù)谋壤浜隙傻娜斯げ牧希且环N由連續(xù)級(jí)配組合成的混凝土,滿足振動(dòng)臺(tái)模型較小尺寸的澆筑要求。
自20世紀(jì)70年代起,英、美等國(guó)家學(xué)者對(duì)微?;炷吝M(jìn)行了研究[4],Hossdorf等[5]闡述了微?;炷料嗨撇牧系母飨虍愋?,并表明常規(guī)鋼筋混凝土的粘結(jié)機(jī)理也能夠在應(yīng)用該材料的模型試驗(yàn)中得以體現(xiàn);Harris等[6]的研究結(jié)果闡明在物理力學(xué)性能上微?;炷辆哂信c原型材料相似的性質(zhì)。隨后我國(guó)學(xué)者對(duì)微粒混凝土也開展了大量的研究,1994年,鞠楊等[7]初步介紹了微?;炷恋母拍睿㈤_展了對(duì)其受拉性能的試驗(yàn)研究;楊政等[3]通過力學(xué)性能試驗(yàn)給出了所研究微粒混凝土材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線;劉紅彪等[2]采用理論與試驗(yàn)結(jié)合的方式研究了微?;炷聊P筒牧吓c原型混凝土材料的擬合公式;沈朝勇等[8]研究了添加陶粒、粉煤灰、浮石等不同骨料后對(duì)微粒混凝土彈性模量的影響;張路等[9]研究了微?;炷亮W(xué)性能在添加飛灰、高爐礦渣等摻合料情況下的變化規(guī)律;李綠宇等[10]對(duì)微?;炷敛牧系奈锢砹W(xué)性質(zhì)及其相關(guān)影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究;李炳晨等[11]基于正交試驗(yàn)方法,研究了加重微?;炷聊P筒牧系牧W(xué)特性,強(qiáng)調(diào)了水灰比和重度對(duì)材料力學(xué)特性的影響。大量已有研究結(jié)果表明,微?;炷敛粌H在材料力學(xué)試驗(yàn)中具有與普通混凝土材料相近的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,同時(shí)在模型試驗(yàn)中其抗壓強(qiáng)度、彈性模量等均能滿足設(shè)計(jì)需求,還原實(shí)際工程材料的物理力學(xué)特性[12-13],所以是模型試驗(yàn)中模擬混凝土結(jié)構(gòu)的良好材料。
本文模型試驗(yàn)研究以天津地鐵可液化區(qū)盾構(gòu)隧道工程項(xiàng)目為依托,針對(duì)飽和粉土盾構(gòu)隧道振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型,闡述了模型相似材料的設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)了不同的微粒混凝土配比,并進(jìn)一步開展材料抗壓強(qiáng)度、彈性模量影響因素的研究。揭示適用于盾構(gòu)隧道模型試驗(yàn)的微?;炷敛牧狭W(xué)性能,并確定出符合試驗(yàn)要求的材料成分配比,對(duì)指導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)抗震模型相似關(guān)系的設(shè)計(jì)有重要意義。
土工模型試驗(yàn)方案必須建立在相似理論基礎(chǔ)之上,并依據(jù)相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)才能確保最終試驗(yàn)研究結(jié)果的可靠性與精確性[14-15]。針對(duì)天津可液化粉土場(chǎng)地盾構(gòu)隧道大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn),研究非飽和土三相體系環(huán)境下的隧道模型襯砌材料相似比設(shè)計(jì)方法。由于該試驗(yàn)的主要目的為探究可液化土層及盾構(gòu)隧道的地震反應(yīng)規(guī)律,相似比設(shè)計(jì)的原則如下。
(1)盾構(gòu)隧道模型的重力應(yīng)與液化地層對(duì)結(jié)構(gòu)作用的上浮力有一致的相似比例。
(2)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)在地基土中受周圍介質(zhì)約束,故液化土層的動(dòng)剪切和側(cè)向大變形是引發(fā)結(jié)構(gòu)動(dòng)力變形的主要因素,必須合理考慮模型土地基有效上覆土壓力和孔隙水壓力對(duì)模型結(jié)構(gòu)的影響。
(3)試驗(yàn)采用小振幅弦波和地震波作為動(dòng)力荷載,模型整體處于彈性范圍,故結(jié)構(gòu)本身慣性力引起的內(nèi)力并非主要因素,同時(shí)地鐵盾構(gòu)隧道模型尺寸較小,重力效應(yīng)無需采用人工質(zhì)量的方法考慮慣性力相似。
(4)試驗(yàn)探究發(fā)生在飽和及非飽和條件下液化場(chǎng)地大變形及盾構(gòu)隧道的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律,故涉及到地基剪切和結(jié)構(gòu)偏移剛度的整體變形協(xié)調(diào)相似性以及襯砌材料抗減震強(qiáng)度的力學(xué)相似性。
根據(jù)本研究盾構(gòu)隧道模型與可液化地基土的特點(diǎn)并結(jié)合上述原則,選取結(jié)構(gòu)模型的基本物理量如下:長(zhǎng)度、彈性模量和加速度,并按白金漢定理將余下所需各種物理量的相似關(guān)系導(dǎo)出。為了探究振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中地基土模型箱邊界效應(yīng)的影響,從而合理確定整體模型尺寸及幾何相似比,對(duì)試驗(yàn)?zāi)P瓦M(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果、模型箱尺寸與盾構(gòu)隧道原型尺寸,方案最終確定試驗(yàn)幾何相似比為1∶20。根據(jù)上述相似關(guān)系,可得盾構(gòu)隧道襯砌模型的相似比,見表1。
表1 模型相似關(guān)系和相似比
隧道地下結(jié)構(gòu)的相似材料通常有:石膏、微?;炷痢喛肆懿摹h(huán)氧樹脂和鋁合金等。根據(jù)本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)飽和液化粉土及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),本試驗(yàn)隧道模型材料選用微?;炷?,該相似材料具有以下優(yōu)點(diǎn)。
(1)材料性質(zhì)與原型鋼筋混凝土相近,相似性好。
(2)可在結(jié)構(gòu)模型中設(shè)計(jì)制作配筋。
(3)與原型基本一致的地基土體與隧道模型間的接觸作用。
(4)其彈性模量和抗壓強(qiáng)度低于原型材料,利于實(shí)現(xiàn)相似設(shè)計(jì)。
由模型結(jié)構(gòu)相似比得到隧道襯砌結(jié)構(gòu)模型材料的力學(xué)參數(shù)見表2。本試驗(yàn)中,隧道結(jié)構(gòu)的微?;炷料嗨撇牧?,以粒徑為0.15~5.0 mm標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配的中砂為骨料,P.S 42.5R普通硅酸鹽水泥為主要膠凝材料。為解決普通微?;炷翢o法滿足地震動(dòng)載試驗(yàn)所要求的低強(qiáng)度、低彈性模型等材料特性相似比和施工便利性,應(yīng)適當(dāng)添加摻合料。熟石灰對(duì)調(diào)節(jié)微?;炷敛牧系目箟簭?qiáng)度和彈性模量效果良好,故本試驗(yàn)中摻合料選擇熟石灰粉。
表2 襯砌結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)
根據(jù)已有的研究成果,在水泥強(qiáng)度等級(jí)一定的情況下,水灰比對(duì)微粒混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響最為顯著,所以本次試驗(yàn)首先設(shè)計(jì)無外加摻合料的具有不同水灰比和骨膠比的微粒混凝土配比,在探究出適用于模型結(jié)構(gòu)相似要求的基本配比范圍后,再考慮添加不同的摻合料對(duì)材料力學(xué)參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整?;谏鲜霾牧吓浔仍O(shè)計(jì)思路,試驗(yàn)制定了前后兩組試驗(yàn)方案。首先,參考JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》,將設(shè)計(jì)混凝土水膠比限定在0.50~1.0,又根據(jù)已有的研究成果[16-17],考慮試驗(yàn)過程中試件與模型制作的施工便利性,如粘稠度、坍落度、和易性等,再添加水膠比1.5和2.0兩個(gè)水平。同時(shí)中砂與水泥組分,即骨膠比也須根據(jù)水灰比的增加而相應(yīng)變化為4.5、6.0兩個(gè)水平,以確保材料具備友好的施工性和梯度適當(dāng)變化的材料特性。選取了第一組試驗(yàn)材料基本配合比方案,如表3所示。并在前組材料試驗(yàn)完成后根據(jù)其測(cè)試結(jié)果,選出了最適用于本次振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的微?;炷敛牧纤冶确秶?,并在此基礎(chǔ)上加入熟石灰對(duì)相似材料力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)整,主要目的是在抗壓強(qiáng)度保持一定設(shè)計(jì)參數(shù)情況下進(jìn)一步降低模型材料的彈性模量。為此以控制變量的原則設(shè)計(jì)出第二組配比方案,具體比選方案見表4。
2.3.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)試件
本試驗(yàn)中微?;炷梁蜕皾{的骨料粒徑大小范圍更為相近,故根據(jù)JGJ/T70-2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,對(duì)于每一配合比,試驗(yàn)采用兩組試樣進(jìn)行材料參數(shù)測(cè)試,尺寸分別為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm和100 mm×100 mm×100 mm。每組測(cè)試材料包含三個(gè)同時(shí)、同條件制作與養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)試塊。制作試件過程中,首先將微?;炷林邪匆欢ㄅ浔纫笈渲坪玫乃嗯c骨料拌合均勻,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)量微?;炷恋目箟簭?qiáng)度和彈性模量,試驗(yàn)過程根據(jù)上述建筑砂漿力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,試驗(yàn)試塊如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試塊
2.3.2 試驗(yàn)裝置
采用JES-2000A型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)和深圳萬測(cè)HUT系列A型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)立方體試塊抗壓強(qiáng)度和棱柱體試塊彈性模量進(jìn)行試驗(yàn)。該系統(tǒng)最大荷載為500 kN,可用位移、荷載及應(yīng)變等控制模式進(jìn)行加載,并且可以測(cè)量微?;炷敛牧媳緲?gòu)性能試驗(yàn)的下降段及峰后曲線。試驗(yàn)測(cè)試儀器見圖2、圖3。
圖2 電液式壓力試驗(yàn)機(jī)
圖3 微機(jī)控制萬能試驗(yàn)機(jī)
第一組試驗(yàn)以微粒混凝土28 d軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量為測(cè)試指標(biāo),表3為設(shè)計(jì)試驗(yàn)的配合比及每組配合比所對(duì)應(yīng)的測(cè)試指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果??梢钥闯?,隨著水灰比的增大,微?;炷猎噳K的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均在減小,呈現(xiàn)出和混凝土一樣的變化規(guī)律。
表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果
3.2.1 水灰比
微粒混凝土以水泥為膠凝材料,水灰比與其膠結(jié)的程度直接相關(guān),進(jìn)而決定隧道襯砌模型的物理力學(xué)性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)組Ai為水灰比試驗(yàn)研究組,Ai(i=1~5)砂與水泥比為4.5,Ai(i=6~14)砂與水泥比為6.0。
由圖4和圖5可知,微?;炷恋膹椥阅A亢涂箟簭?qiáng)度都在隨著水灰比的增加而顯著降低。對(duì)砂/水泥比值為4.5的實(shí)驗(yàn)組,水灰比從0.65到0.70時(shí),微?;炷猎噳K的抗壓強(qiáng)度和彈性模量明顯的降低。而當(dāng)砂/水泥比值為6.0時(shí),在水灰比從0.7變化到1.0時(shí),抗壓強(qiáng)度和彈性模量在均勻緩慢的降低。根據(jù)圖5(a)、圖5(b)的關(guān)系曲線趨勢(shì)可得出,當(dāng)水灰比在0.5~1.0之間時(shí),微?;炷恋膹?qiáng)度變化率比1.0~2.0之間的大,較小的水灰比(0.5~0.7)對(duì)微?;炷翉?qiáng)度的影響比較明顯。
(a)抗壓強(qiáng)度和水灰比關(guān)系
(b)彈性模量和水灰比關(guān)系圖4 抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化圖(砂/水泥=4.5)
(a)抗壓強(qiáng)度和水灰比關(guān)系
(b)彈性模量和水灰比關(guān)系圖5 抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化(砂/水泥=6.0)
3.2.2 骨膠比
同時(shí)對(duì)比A5和A6兩組配比材料試驗(yàn),得到中砂/水泥的骨膠比對(duì)混凝土的力學(xué)性能參數(shù)具有一定影響,在較小的水灰比條件下,骨膠比的增加會(huì)略微增大混凝土材料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。
3.2.3 選擇試驗(yàn)材料基本配合比
由于本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相似關(guān)系的限制,為隧道襯砌所配制的微粒混凝土需要具有較低水平的力學(xué)性能參數(shù),但僅依靠調(diào)節(jié)水灰比去配制材料時(shí)會(huì)造成拌合物粘聚性不良、產(chǎn)生流漿、離析現(xiàn)象并嚴(yán)重影響混凝土材料的均質(zhì)性,還會(huì)在養(yǎng)護(hù)過程中令澆筑模型產(chǎn)生裂縫。所以可通過第一組試驗(yàn)大致確定所需要的微?;炷恋幕九浜媳?,再添加合適的摻合料得到力學(xué)參數(shù)更加符合試驗(yàn)要求的模型相似材料。本組試驗(yàn)得到兩組適宜的基本配合比,分別是水:水泥:砂=1.5∶1.0∶6.0和2.0∶1.0∶6.0,故第二組試驗(yàn)將添加石灰材料,通過設(shè)置不同配合比進(jìn)一步調(diào)節(jié)模型材料參數(shù)。
在所選定的兩組混凝土配合比基礎(chǔ)上,添加不同熟石灰摻合料后的微?;炷猎嚰W(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
3.3.1 石灰比
測(cè)試結(jié)果表明,Ai實(shí)驗(yàn)組中低水灰比微?;炷猎噳K軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)高于隧道結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)要求,考慮在高水灰比實(shí)驗(yàn)組中摻加熟石灰便能有效的調(diào)節(jié)微?;炷恋目箟簭?qiáng)度和彈性模量,確定出滿足試驗(yàn)要求的配比。試驗(yàn)組Bi(i=1~6)是基本配合比為水∶水泥∶砂=1.5∶1.0∶6.0的實(shí)驗(yàn)組,依次增加熟石灰的摻量,試塊的抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化如圖6所示。試驗(yàn)組Bi(i=7-12)是基本配合比為水∶水泥∶砂=2.0∶1.0∶6.0的實(shí)驗(yàn)組,依次增加熟石灰的摻量,試塊的抗壓強(qiáng)度和彈性模量變化如圖6和圖7所示。
(a)抗壓強(qiáng)度和石灰比關(guān)系
(b)彈性模量和石灰比關(guān)系圖6 石灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響(水灰比1.5)
由圖6和圖7可以看出,在水灰比一定的條件下,隨著微粒混凝土中摻入熟石灰含量逐漸增加,抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。當(dāng)水灰比為1.5,石灰比由低至高在0.0~2.0時(shí),微?;炷恋目箟簭?qiáng)度指標(biāo)均勻緩慢減小,彈性模量在石灰比0.0~1.0范圍內(nèi)時(shí)下降慢,1.0~2.0時(shí)下降明顯。當(dāng)水灰比為2.0時(shí),微?;炷恋目箟簭?qiáng)度和彈性模量在0.0~1.2時(shí)下降緩慢,在0.2~2.0時(shí)下降迅速。在石灰比范圍為0.0~1.0時(shí)抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨其降低的變化率小,在石灰比1.0~2.0時(shí)變化率大,因此較大的石灰比(1.0~2.0)對(duì)微粒混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響大。探究原因應(yīng)是石灰的摻入降低了水泥與集料的比例,水泥含量相對(duì)減少,導(dǎo)致試塊內(nèi)部砂與砂之間的骨料粘結(jié)力不足,表現(xiàn)為材料力學(xué)性能指標(biāo)的降低。
(a)抗壓強(qiáng)度和石灰比關(guān)系
(b)彈性模量和石灰比關(guān)系圖7 石灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響(水灰比=2.0)
3.3.2 確定相似試驗(yàn)材料配合比
試驗(yàn)結(jié)果表明,第二次試驗(yàn)方案中添加的熟石灰粉摻合料能夠?qū)σ欢ㄋ冶鹊奈⒘;炷敛牧系哪P土W(xué)參數(shù)起到良好的調(diào)節(jié)作用,同時(shí)發(fā)現(xiàn)了最符合試驗(yàn)要求的參數(shù)配比,即試驗(yàn)組B1試塊的彈性模量值為8.75 GPa,接近模型試驗(yàn)對(duì)隧道襯砌材料的要求,同時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度值為3.11 MPa,為符合試驗(yàn)要求的配制方案。
3.3.3 抗壓強(qiáng)度與彈性模量關(guān)系模型
為更進(jìn)一步配制出滿足模型試驗(yàn)的配比,對(duì)試驗(yàn)中微?;炷恋臏y(cè)試結(jié)果擬合得到該方案下相似材料抗壓強(qiáng)度與彈性模量公式。以水∶水泥∶砂=1.5∶1.0∶6.0為基礎(chǔ),用熟石灰做調(diào)節(jié)劑,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到抗壓強(qiáng)度和彈性模量的經(jīng)驗(yàn)公式,以指導(dǎo)微?;炷料嗨撇牧系呐渲?。根據(jù)表4的結(jié)果,運(yùn)用SPSS軟件,得到回歸方程:
Y=3.542-1.61x+0.067x2
Z=9.078+0.606x-1.213x2
式中:x、Y、Z分別為石灰比、試件抗壓強(qiáng)度和試件彈性模量,回歸方程的判定系數(shù)R2為0.96,理論計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖8所示,計(jì)算值和試驗(yàn)值能夠較好的擬合,該方程可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)盾構(gòu)隧道模型要求的低抗壓強(qiáng)度和低彈性模量微?;炷料嗨撇牧系某煞峙浔取?/p>
(a)抗壓強(qiáng)度理論與試驗(yàn)值對(duì)比
(b)彈性模量理論與試驗(yàn)值對(duì)比圖8 回歸方程計(jì)算值與理論值對(duì)比
本文以天津地鐵可液化地層盾構(gòu)隧道工程為依托,為配合振動(dòng)臺(tái)隧道模型試驗(yàn),配制滿足模型結(jié)構(gòu)要求的微粒混凝土配比,研究了改變幾種配比參量的情況下微?;炷量箟簭?qiáng)度和彈性模量的變化規(guī)律,得到如下結(jié)論:
(1)水灰比、骨膠比對(duì)微?;炷恋妮S心抗壓強(qiáng)度的影響與普通混凝土相同。水灰比會(huì)顯著影響微?;炷恋妮S心抗壓強(qiáng)度和彈性模量,骨膠比的影響不大。隨著水灰比的增加,微?;炷恋目箟簭?qiáng)度和彈性模量呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)。
(2)特定較小范圍內(nèi)(0.5~0.7)水灰比對(duì)模型混凝土材料軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響較為顯著,而在較大水灰比的混凝土材料中水灰比的改變對(duì)其力學(xué)性能參數(shù)的變化率影響較小。
(3)在保持微?;炷了⑺嗪蜕暗谋壤蛔儠r(shí),添加摻合料熟石灰會(huì)能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)微粒混凝土的力學(xué)參數(shù)。所研究的模型材料關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)均會(huì)因石灰組分所占比例的加大而有所減小,其中對(duì)彈性模量的影響程度要大于抗壓強(qiáng)度。
(4)制作縮小比例模型結(jié)構(gòu)時(shí),為滿足施工性和相似關(guān)系的要求,建議采用較大水灰比下添加石灰摻合料的微?;炷敛牧?,并得出了微?;炷猎谒盟唷蒙盀?.5∶1.0∶6.0時(shí),熟石灰的摻入量與微?;炷恋目箟簭?qiáng)度和彈性模量的量化關(guān)系式,可為相關(guān)動(dòng)力隧道模型試驗(yàn)的相似材料的配合比確定提供參考。