許勇,夏明,張煒,李哲宇,張志強(qiáng)

(1.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院,上海 200235; 2.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司,南昌 330038;3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)作為隧道工程最主要的結(jié)構(gòu),其服役年限要求長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年乃至上百年。在服役過(guò)程中,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不可避免會(huì)出現(xiàn)鋼筋銹蝕問(wèn)題[1]。在荷載和侵蝕性物質(zhì)的聯(lián)合作用下,隧道鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷腐蝕-損傷-劣化過(guò)程而逐漸失效破壞,最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)承載力,使得襯砌的服役性能大幅降低,出現(xiàn)耐久性失效問(wèn)題[2-5]。因此研究鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)在鋼筋銹蝕作用下?lián)p傷劣化對(duì)提高襯砌結(jié)構(gòu)的服役性能具有重大意義。

現(xiàn)有研究中,大量學(xué)者多采用數(shù)值仿真的方法來(lái)模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由無(wú)損狀態(tài)向失效狀態(tài)發(fā)展的非線性演化過(guò)程,從離子侵蝕劣化機(jī)理、襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、服役壽命、安全性評(píng)估方法等方面對(duì)侵蝕環(huán)境鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究。在劣化機(jī)理方面,劉四進(jìn)等[6]建立滲流狀態(tài)下離子侵蝕模型研究腐蝕環(huán)境下水下盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理;劉才瑋等[7]分析了氯離子侵蝕作用下材料性能的退化規(guī)律。林紅威等[8]以試件表面銹脹裂紋寬度為研究變量,探究了荷載-銹蝕耦合作用對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能的影響。在襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能方面,周建庭等[9]建立了考慮混凝土等級(jí)和鋼筋銹蝕率的數(shù)值計(jì)算模型研究構(gòu)件剛度的退化規(guī)律;Zhang等[10]基于銹蝕后鋼筋拉拔試驗(yàn)分析銹蝕率對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載力的影響;戴宇[11]研究了鋼筋銹蝕對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)行為和破壞特征的影響。劉四進(jìn)等[12-13]將隧道襯砌結(jié)構(gòu)等效為受力特點(diǎn)相似的偏心柱構(gòu)件以研究混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的服役性能。李昕等[14]提出基于裂縫限值準(zhǔn)則和承載力極限準(zhǔn)則的服役壽命預(yù)測(cè)方法。韓興博等[15]基于概率統(tǒng)計(jì)理論研究了碳化侵蝕和氯離子銹蝕共同作用下管片的承載能力。王海彥等[16]以鹽類(lèi)侵蝕作用下襯砌結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度退化趨勢(shì)為表征因素,研究了襯砌結(jié)構(gòu)服役壽命衰減規(guī)律。張冬梅等[17]研究了銹蝕率與隧道結(jié)構(gòu)失效概率的關(guān)系。敖芃[18]將鋼筋銹蝕作用等效為混凝土力學(xué)性能退化問(wèn)題,提出一種基于銹蝕深度和銹蝕范圍等因素的穩(wěn)定性評(píng)估方法。Yousif[19]提出了綜合考慮黏結(jié)強(qiáng)度、試件力學(xué)行為和混凝土裂縫的銹蝕隧道襯砌強(qiáng)度評(píng)估的方法。

隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬已成為鋼筋銹蝕作用下隧道結(jié)構(gòu)損傷劣化性能研究的重要手段。然而,目前對(duì)銹蝕作用下襯砌結(jié)構(gòu)性能劣化的有限元分析存在以下不足:①影響因素考慮不充分,僅針對(duì)鋼筋粘結(jié)性能退化和自身強(qiáng)度降低對(duì)整體結(jié)構(gòu)性能的影響,而忽略鋼筋銹脹對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷,導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在局限性。②缺少銹蝕發(fā)展過(guò)程中襯砌全過(guò)程損傷及內(nèi)力演化形態(tài)和整體劣化特征,且多集中于銹蝕條件下隧道整體耐久性和承載力,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)分區(qū)劣化鮮有討論。③實(shí)際中圍巖側(cè)的銹蝕率往往大于臨空側(cè)銹蝕率,現(xiàn)有研究中將襯砌結(jié)構(gòu)不同位置的鋼筋銹蝕率視為相同的做法與實(shí)際存在較大區(qū)別。

鑒于此,現(xiàn)考慮實(shí)際隧道襯砌結(jié)構(gòu)服役環(huán)境,選擇水土荷載及氯離子侵蝕性環(huán)境為主要研究背景,建立考慮鋼筋混凝土間粘結(jié)滑移的隧道襯砌精細(xì)化有限元模型,研究鋼筋銹蝕作用下襯砌結(jié)構(gòu)形變、損傷、裂縫等變化規(guī)律,為隧道襯砌結(jié)構(gòu)服役性能的評(píng)估提供理論基礎(chǔ)。

1 參數(shù)選取與標(biāo)定

1.1 混凝土本構(gòu)參數(shù)選取

混凝土塑性損傷(concrete damaged plasticity,CDP)模型綜合了損傷彈性和拉伸、壓縮塑性,可以準(zhǔn)確地表征混凝土的非彈性力學(xué)行為,是研究結(jié)構(gòu)工程最常用的一種本構(gòu)[20],因此采用CDP模型表征混凝土材料力學(xué)行為。CDP模型單軸周期荷載(拉-壓-拉)作用下應(yīng)力ε-應(yīng)變?chǔ)仪€如圖1所示。根據(jù)能量等價(jià)法進(jìn)行損傷因子的計(jì)算[21],CDP模型塑性屈服準(zhǔn)則參數(shù)見(jiàn)表1。

σt0為拉應(yīng)力峰值;E0為初始剛度;dt為剛度受拉折減系數(shù);dc為剛度受壓折減系數(shù);wc為材料轉(zhuǎn)化為受壓狀態(tài)后的權(quán)重因子(默認(rèn)取1);wt為材料轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài)后的權(quán)重因子(默認(rèn)取0)

1.2 鋼筋本構(gòu)參數(shù)選取

襯砌結(jié)構(gòu)裂縫作為一種最常見(jiàn)的病害,將顯著影響材料的力學(xué)性能[22]。圖2所示為氯離子侵蝕作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹蝕劣化過(guò)程。在這種作用下,混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕,生成銹蝕產(chǎn)物填充鋼筋與混凝土之間空隙;伴隨著銹蝕程度的加深,銹蝕產(chǎn)物體積不斷增大,造成鋼筋體積膨脹;銹蝕產(chǎn)物體積進(jìn)一步增加,在周?chē)炷恋募s束作用下,鋼筋混凝土交界面將產(chǎn)生銹脹力,引起混凝土保護(hù)層受拉開(kāi)裂。隨裂紋不斷擴(kuò)展貫通,材料性能顯著降低。隧道工程中,二次襯砌內(nèi)鋼筋并非簡(jiǎn)單直線段,而是由多個(gè)圓弧段組成,并且由于目前大多研究認(rèn)為鋼筋銹脹位移不是各向同性的,而僅在橫截面產(chǎn)生銹脹位移[23],因此計(jì)算模型中,采用溫度場(chǎng)模擬鋼筋銹脹作用時(shí),對(duì)不同圓弧段的鋼筋設(shè)置相應(yīng)局部坐標(biāo)系、鋼筋材料方向和各向異性的熱膨脹系數(shù),使鋼筋僅在13平面內(nèi)產(chǎn)生膨脹位移,見(jiàn)圖3(a)。二次襯砌采用HRB400鋼筋,通過(guò)設(shè)置溫度相關(guān)材料屬性來(lái)表征其隨銹蝕率增大屈服強(qiáng)度降低的力學(xué)特點(diǎn)。鋼筋均勻銹蝕后的截面見(jiàn)圖3(b)。

圖2 氯離子侵蝕作用模型

圖3 鋼筋銹蝕計(jì)算模型

假定鋼筋長(zhǎng)度、質(zhì)量均勻,鋼筋質(zhì)量損失即鋼筋橫截面損失,銹蝕率與溫度場(chǎng)關(guān)系推導(dǎo)公式為

(1)

式(1)中:r為鋼筋直徑;δ為銹蝕深度,滿足Δ=(n-1)δ,Δ為名義銹蝕層厚度,計(jì)算中取n=2。

此時(shí)鋼筋橫截面膨脹的面積為

ΔScor=π(r+Δ)2-πr2

=π[(n-1)2δ2+2r(n-1)δ]

(2)

鋼筋的線膨脹系數(shù)α=1.2×10-5/℃,當(dāng)溫度變化為ΔT時(shí),鋼筋橫截面膨脹的面積為

ΔST=πr2[(1+αΔT)2-1]

=πr2(2αΔT+α2ΔT2)

(3)

將鋼筋直徑與相關(guān)參數(shù)代入,并由溫度膨脹面積ΔST與銹蝕膨脹面積ΔScor相等,可推導(dǎo)出溫度場(chǎng)與銹蝕率的關(guān)系。結(jié)合鋼筋強(qiáng)度與銹蝕率的關(guān)系運(yùn)算[24],即可得到銹蝕條件下鋼筋屈服強(qiáng)度與溫度場(chǎng)關(guān)系。

1.3 黏結(jié)性能本構(gòu)參數(shù)選取

目前研究中,多采用非線性彈簧來(lái)表征鋼筋混凝土之間的黏結(jié)性能[25-26],然而彈簧單元的作用力-位移關(guān)系僅支持在分析步間人為改變,不能很好地模擬鋼筋銹蝕發(fā)展過(guò)程中黏結(jié)性能逐漸劣化的特點(diǎn)?；谶@種原因,采用內(nèi)聚力本構(gòu)模型(cohesive zone model,CZM)表征鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能,以Cohesive單元損傷劣化模擬隧道營(yíng)運(yùn)階段鋼筋銹蝕導(dǎo)致的黏結(jié)性能削弱。

鋼筋與混凝土之間的相互作用分為垂直鋼筋方向(法向)上的擠壓作用和平行鋼筋方向(切向)上的粘結(jié)-滑移作用,采用Cohesive單元模擬鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能時(shí)需要對(duì)單元法向關(guān)鍵參數(shù)和切向關(guān)鍵參數(shù)分別進(jìn)行標(biāo)定。

法向參數(shù):由于在鋼筋混凝土擠壓作用產(chǎn)生法向變形較小,單元?jiǎng)偠炔粫?huì)產(chǎn)生損傷,因此Cohesive單元法向剛度可取一大值(近似混凝土剛度數(shù)量級(jí))。

切向參數(shù):Cohesive單元的切向參數(shù)可通過(guò)中心拉拔試驗(yàn)獲得的粘結(jié)-滑移曲線進(jìn)行標(biāo)定,對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)與拉拔數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行Cohesive單元的計(jì)算參數(shù)的選取。

1.3.1 中心拉拔試驗(yàn)

設(shè)計(jì)12組中心拉拔試件,由HRB400鋼筋及C40混凝土組成,配置HPB300鋼筋作為箍筋防止出現(xiàn)劈裂破壞。混凝土長(zhǎng)×寬×高 =150 mm × 150 mm × 150 mm,鋼筋直徑25 mm,黏結(jié)長(zhǎng)度70 mm,非黏結(jié)段用絕緣膠布包裹,詳細(xì)尺寸如圖4所示。試件制作過(guò)程如圖5所示。

圖4 中心拉拔試驗(yàn)試件尺寸

圖5 試件制作

試件拉拔裝置由位移計(jì)、反力裝置、加載裝置等組成,如圖6所示。以0.1 kN/s的速率進(jìn)行加載,加載過(guò)程中,每隔0.05 mm記錄一次荷載值,同時(shí)記錄最大荷載的值及其對(duì)應(yīng)的自由端位移。剔除其中由于試樣制作、數(shù)據(jù)誤差等問(wèn)題造成的離群試樣結(jié)果,選擇了其中4組結(jié)果較好的粘結(jié)-滑移曲線,取其平均值作為最終的標(biāo)定曲線,如圖7所示。

圖6 拉拔試驗(yàn)裝置示意圖

圖7 試驗(yàn)得到的拉力-滑移曲線

1.3.2 有限元參數(shù)標(biāo)定

采用ABAQUS有限元軟件建立與拉拔試件相同尺寸的模型,混凝土采用損傷塑性模型,主筋和箍筋采用彈塑性模型。將混凝土四個(gè)側(cè)面完全固定,添加參考點(diǎn)與鋼筋拔出端的截面耦合。三維拉拔有限元參數(shù)標(biāo)定模型如圖8所示。

圖8 CZM參數(shù)標(biāo)定模型

有限元計(jì)算參數(shù)中,材料切向剛度控制粘結(jié)-滑移曲線彈性階段斜率,損傷起始應(yīng)力控制粘結(jié)-滑移曲線最大拉力,斷裂能控制粘結(jié)-滑移曲線與x軸組成的面積。參數(shù)標(biāo)定中,通過(guò)不斷調(diào)整材料切向剛度、損傷起始應(yīng)力和斷裂能,使有限元計(jì)算的粘結(jié)-滑移曲線盡可能與試驗(yàn)獲得的平均粘結(jié)-滑移曲線接近,選取最相似的計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的參數(shù)作為鋼筋混凝土過(guò)渡區(qū)域斷裂參數(shù)。

有限元與試驗(yàn)的拉力-滑移曲線對(duì)比如圖9所示。兩者最大拉拔力與對(duì)應(yīng)滑移量的計(jì)算結(jié)果和Cohesive單元斷裂參數(shù)分別見(jiàn)表2和表3。

表2 數(shù)值試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖9 拉力-滑移曲線對(duì)比

2 盾構(gòu)隧道襯砌性能劣化分析模型

基于Terzaghi松動(dòng)土壓力公式計(jì)算襯砌荷載,結(jié)構(gòu)荷載模式如圖10所示。采用表面荷載方式施加荷載q、p,僅受壓彈簧模擬圍巖約束作用,彈簧剛度數(shù)值等于地層抗力系數(shù)與所連接單元面積的乘積,襯砌結(jié)構(gòu)整體圓環(huán)剛度乘以折減系數(shù)η取0.8。

圖10 管片結(jié)構(gòu)荷載模式

數(shù)值計(jì)算模型如圖11所示。其中主筋直徑25 mm,中心間距200 mm布置,混凝土保護(hù)層厚度為50 mm。國(guó)內(nèi)外三維管片襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算中多以多環(huán)管片作為一個(gè)計(jì)算單元,共建立5環(huán)管片,各管片之間采用“面-面”接觸,其中目標(biāo)計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)處于模型中間。同時(shí)為節(jié)省計(jì)算資源,取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算,采用非線性彈簧模擬圍巖對(duì)襯砌的作用,螺栓接頭作用采取T3D2單元通過(guò)Embedded region方式模擬。

圖11 襯砌損傷劣化計(jì)算模型

鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)在服役期間性能的劣化來(lái)自?xún)煞矫?圍巖荷載作用和離子侵蝕作用。一般來(lái)說(shuō),襯砌中的鋼筋銹蝕作用需要較長(zhǎng)時(shí)間,長(zhǎng)達(dá)數(shù)年乃至數(shù)十年,圍巖荷載作用下襯砌結(jié)構(gòu)的變形在此階段之前就已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。因此將圍巖荷載作用與鋼筋銹蝕膨脹作用對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響按不同分析步考慮,第一個(gè)分析步單純?yōu)橐r砌結(jié)構(gòu)抵抗圍巖作用產(chǎn)生變形階段,第二個(gè)分析步為襯砌結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后的內(nèi)部鋼筋銹蝕階段。

3 結(jié)果分析

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)變形分析

提取圍巖荷載穩(wěn)定后鋼筋銹蝕作用下引起的盾構(gòu)區(qū)間襯砌結(jié)構(gòu)不同部位變形,各測(cè)點(diǎn)變形量隨銹蝕率的變化如圖12所示。由圖12可見(jiàn),盾構(gòu)襯砌在圍巖荷載和離子侵蝕共同作用下發(fā)生變形,出現(xiàn)拱頂下沉,拱底上升,左右拱腰向圍巖側(cè)偏移的現(xiàn)象。銹蝕作用很大程度地加大了各位置的變形量,測(cè)點(diǎn)A的變形量最大、測(cè)點(diǎn)B、C次之說(shuō)明銹蝕造成襯砌結(jié)構(gòu)不同部位的剛度損失是不同的,即銹蝕作用下襯砌結(jié)構(gòu)損傷存在差異性。

圖12 結(jié)構(gòu)變形隨銹蝕率的變化曲線

盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)地下水埋深2～6 m,設(shè)計(jì)水位線采用地面標(biāo)高,因此計(jì)算高水壓工況時(shí),提高6 m水位高度,即水位與隧道頂部的距離從11.854 m提高至17.854 m(水壓從0.118 5 MPa提高到0.178 5 MPa)。計(jì)算結(jié)果表明襯砌結(jié)構(gòu)變形收斂趨勢(shì)與圖12(b)相差不大,僅第一個(gè)水土荷載分析步在位移數(shù)值上存在較大差距,第二個(gè)銹蝕分析步位移變形相差較小,比較位移相差最大部位——拱頂(點(diǎn)A),如表4所示。表中位移差表示不同銹蝕率下襯砌位移與無(wú)銹蝕襯砌位移的差值。由表中數(shù)據(jù)可以看出,在第一個(gè)分析步(水土荷載分析步),高水壓大幅提高了無(wú)銹蝕時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的初始收斂值;在第二個(gè)分析步(銹蝕分析步),高水壓與低水壓的襯砌結(jié)構(gòu)的位移差值有一定程度增加,但是增大的幅度極小。因此認(rèn)為高水壓對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)銹蝕過(guò)程中的收斂變形沒(méi)有影響。

表4 不同水壓荷載作用下A測(cè)點(diǎn)位移對(duì)比

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布分析

隧道作為一種超靜定結(jié)構(gòu),在長(zhǎng)時(shí)間的服役過(guò)程中,受到圍巖荷載以及離子侵蝕的影響,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自身的性能不斷劣化,出現(xiàn)裂縫、掉塊等現(xiàn)象,使得截面內(nèi)力分布不再遵循線彈性關(guān)系,引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,最終使結(jié)構(gòu)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。工程中,常采用彎矩與軸力作為結(jié)構(gòu)安全性的重要判斷指標(biāo),提取0～30%銹蝕率η下襯砌結(jié)構(gòu)各斷面的彎矩、軸力值,分析銹蝕作用對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響規(guī)律。銹蝕發(fā)展過(guò)程的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩和軸力變化如圖13所示。

圖13 銹蝕過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布

由圖13(a)可以看出,隨著銹蝕率的增大,襯砌結(jié)構(gòu)不同部位的彎矩變化不同,彎矩值變化最大的位置與損傷嚴(yán)重的區(qū)域?qū)?yīng)。臨空側(cè)受拉位置如拱頂、拱底,彎矩不斷減小,圍巖側(cè)受拉位置如拱腰,彎矩不斷增大。值得注意的是2斷面隨著銹蝕發(fā)展,由無(wú)銹蝕條件下的臨空側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)閲鷰r側(cè)受拉。由圖13(b)可以看出,隨著銹蝕率的增大,各個(gè)部位的軸力均有不同程度的增大,但是總的來(lái)說(shuō)軸力增幅較小,增幅最大部位位于拱頂及仰拱,為10.30%。

不同水位情況下盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩及軸力分布如圖14所示。由圖14可見(jiàn),在土壓及鋼筋銹蝕程度不變情況下,水位增加6 m時(shí),管片彎矩沿環(huán)向分布大致相同,有一定程度的減小,但是幅度很小,均在7%左右;管片軸力沿環(huán)向分布大致相同,最大軸力變化位于拱頂,無(wú)銹蝕時(shí)拱頂軸力由1 906.84 kN增加為2 467.00 kN,增幅為29.38%,銹蝕率30%時(shí)軸力由2 103.24 kN增加為2 787.08 kN,增幅為32.51%。

圖14 不同水壓條件下襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)損傷演化分析

襯砌結(jié)構(gòu)處于侵蝕環(huán)境中,圍巖側(cè)首先受到離子侵蝕影響,而后不斷向臨空側(cè)滲透,導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)臨空側(cè)和圍巖側(cè)鋼筋銹蝕程度和損傷不同,因此將襯砌結(jié)構(gòu)分為圍巖側(cè)和臨空側(cè)討論,襯砌結(jié)構(gòu)后處理視圖如圖15所示。

圖15 襯砌結(jié)構(gòu)視圖

如圖16所示為襯砌結(jié)構(gòu)圍巖側(cè)在銹蝕發(fā)展過(guò)程中的損傷變化。由圖16可以看出,當(dāng)銹蝕率為0,即襯砌結(jié)構(gòu)僅在圍巖荷載作用下時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)圍巖側(cè)幾乎沒(méi)有損傷,代表無(wú)銹蝕襯砌結(jié)構(gòu)能較好地承受住水土壓力。隨著離子的侵蝕作用,襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋開(kāi)始出現(xiàn)銹蝕,對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生環(huán)向損傷;隨著銹蝕發(fā)展,損傷區(qū)域不斷沿縱向擴(kuò)展,最終連成一片,使結(jié)構(gòu)剛度嚴(yán)重降低;隨著銹蝕進(jìn)一步發(fā)展,損傷區(qū)域擴(kuò)展速率放緩,逐漸趨于穩(wěn)定。

圖16 銹蝕過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)圍巖側(cè)損傷演化

圖17所示為襯砌結(jié)構(gòu)臨空側(cè)在銹蝕發(fā)展過(guò)程中的損傷變化。由圖17可以看出,當(dāng)銹蝕率為0,即襯砌結(jié)構(gòu)僅在圍巖荷載作用下時(shí),襯砌結(jié)構(gòu)臨空側(cè)沒(méi)有損傷,代表無(wú)銹蝕襯砌結(jié)構(gòu)能較好地承受住水土壓力。隨著離子的侵蝕作用,襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹脹,產(chǎn)生環(huán)向損傷以及截面上的點(diǎn)狀損傷;隨著銹蝕的發(fā)展,點(diǎn)狀分布的損傷沿縱向逐漸相連,并不斷由外向內(nèi)擴(kuò)展,最終形成大片損傷區(qū)域。另外,測(cè)點(diǎn)B、D之間的襯砌結(jié)構(gòu)損傷始終較小。

圖17 銹蝕過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)臨空側(cè)損傷演化

如圖18所示為測(cè)點(diǎn)A～B、C～D、D～E三個(gè)部位的銹蝕深度演化。由圖18可以看出,由于圍巖側(cè)最先受到侵蝕環(huán)境的影響,因此圍巖側(cè)的鋼筋銹脹先于臨空側(cè),產(chǎn)生的損傷也更早。A～B段和D～E段的損傷不斷由圍巖側(cè)向臨空側(cè)擴(kuò)展,表現(xiàn)為銹蝕深度增加。隨銹蝕率的進(jìn)一步增加,臨空側(cè)的鋼筋銹脹作用凸顯,兩損傷區(qū)域逐漸靠攏,有貫穿襯砌的危險(xiǎn)。相較而言,C～D段損傷深度發(fā)展緩慢,損傷區(qū)域有限。

圖18 銹蝕深度演化

鋼筋銹蝕率為30%時(shí),不同水位襯砌損傷分布如圖19所示。從圖19中可以看出,高水壓襯砌損傷區(qū)域較低水壓損傷區(qū)域有一定減少。分析出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因在于,損傷主要由混凝土受拉破壞引起,增加水壓后,盾構(gòu)襯砌彎矩出現(xiàn)一定程度減小,但是下降幅度不大,軸力與彎矩相反,存在增大趨勢(shì)。軸力增加,彎矩減小,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所受拉力減弱,損傷分布范圍減少。

圖19 不同水壓條件下?lián)p傷分布差異

3.4 襯砌結(jié)構(gòu)裂縫寬度演化分析

鋼筋受到周?chē)h(huán)境中的侵蝕性離子影響產(chǎn)生銹脹,銹脹作用又會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,使侵蝕性離子更容易進(jìn)入內(nèi)部鋼筋,進(jìn)一步導(dǎo)致鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)劣化,可見(jiàn)裂縫對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的重要影響,并且裂縫寬度還是衡量襯砌結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的一個(gè)關(guān)鍵因素。由于上述兩點(diǎn)原因,提取銹蝕發(fā)展過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)不同部位的最大裂縫寬度,討論裂縫寬度變化規(guī)律。

一定范圍內(nèi),平均裂縫寬度與平均裂縫間距存在以下關(guān)系

(4)

式(4)中:wavg為平均裂縫寬度;lavg為平均裂縫間距;Δεavg為裂縫區(qū)域內(nèi)鋼筋與混凝土的應(yīng)變差值;εs、εc分別為鋼筋應(yīng)單元變與混凝土單元應(yīng)變。

文獻(xiàn)[27-28]的試驗(yàn)結(jié)果,(1-εc/εs)≈0.77,裂縫寬度擴(kuò)大系數(shù)α取為1.66,得到最大裂縫寬度計(jì)算公式為

=1.66×0.77εslavg

(5)

提取銹蝕發(fā)展過(guò)程中襯砌結(jié)構(gòu)不同部位的最大裂縫寬度,繪制測(cè)點(diǎn)A～B、B～C、C～D和D～E部分的最大裂縫寬度與銹蝕率之間的關(guān)系,如圖20所示?？梢钥闯鯝～B和B～C段在0～12%銹蝕率階段,最大裂縫寬度隨銹蝕率呈線性增大;12%～30%銹蝕率階段,最大裂縫寬度的增大速率經(jīng)歷先加快后減緩,最終趨于穩(wěn)定的過(guò)程。C～D和D～E段最大裂縫寬度隨銹蝕率呈線性增長(zhǎng)。最大裂縫寬度增長(zhǎng)速率為拱頂處最快,上拱腰、下拱腰次之,拱底增長(zhǎng)速率最慢。A～B段裂縫擴(kuò)展速率最快的原因是:鋼筋銹蝕以后,黏結(jié)性能減弱,隨著銹蝕率的發(fā)展,隧道A～B段的彎矩雖然持續(xù)減小,但相應(yīng)的,其截面損傷程度極其嚴(yán)重,且有貫穿襯砌的危險(xiǎn),截面抗彎能力降低明顯,拱頂向臨空側(cè)持續(xù)發(fā)生變形,因而該位置的裂縫擴(kuò)展最快。

圖20 銹蝕過(guò)程中襯砌各部位最大裂縫寬度

根據(jù)《城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[29]對(duì)隧道裂縫健康度進(jìn)行評(píng)定。以裂縫寬度0～0.2、0.2～0.5、0.5～1.0、1.0～2.0 mm為標(biāo)準(zhǔn),將健康度劃分為1～4級(jí)別。以襯砌最不利部位(A～B段)作為評(píng)定對(duì)象,在銹蝕率0～8%、8%～13%、13%～20%、20%～30%階段其健康度分別屬于1、2、3、4級(jí)。

提取設(shè)計(jì)水位為地面標(biāo)高的裂縫發(fā)展情況,如圖21所示。高水壓的最大裂縫寬度較低水壓發(fā)展更慢,達(dá)到30%銹蝕率時(shí),最大裂縫寬度更小。低水位情況下,襯砌結(jié)構(gòu)拱頂?shù)竭_(dá)30%銹蝕率時(shí),最大裂縫寬度為1.252 mm,高水位情況下減小為1.064 mm,下降約15%。分析出現(xiàn)裂縫寬度下降的原因在于水位增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎矩減小,軸力增加,混凝土結(jié)構(gòu)所受拉力減少,導(dǎo)致相應(yīng)的拉裂縫寬度也減小。因此,綜合考慮損傷、內(nèi)力重分布及裂縫寬度等因素,認(rèn)為水壓增加,可以在一定程度上提高盾構(gòu)襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性。

圖21 高水壓條件銹蝕過(guò)程中襯砌各部位最大裂縫寬度

4 結(jié)論

建立隧道襯砌銹蝕劣化有限元模型,綜合考慮了鋼筋銹蝕引起的自身力學(xué)劣化、混凝土有效截面損失及鋼筋混凝土粘結(jié)性能退化等因素,以此分析了圍巖壓力和鋼筋銹蝕共同作用下襯砌結(jié)構(gòu)變形、損傷、內(nèi)力重分布、裂縫寬度的變化規(guī)律,得到如下主要結(jié)論。

(1)襯砌結(jié)構(gòu)在圍巖荷載和離子侵蝕共同作用下發(fā)生拱頂下降、拱底上升、左右拱腰向外側(cè)偏移變形。銹蝕作用導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)剛度降低,大大加深了襯砌結(jié)構(gòu)的變形程度。銹蝕造成襯砌結(jié)構(gòu)不同部位的剛度損失不同,反映了銹蝕作用下襯砌結(jié)構(gòu)損傷的差異性。

(2)襯砌結(jié)構(gòu)的圍巖側(cè)與臨空側(cè)損傷差異較大。由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度,容易產(chǎn)生拉裂縫,受拉側(cè)的損傷最嚴(yán)重。相同銹蝕率下,襯砌受壓側(cè)受到擠壓作用,限制裂縫的發(fā)展,導(dǎo)致受壓側(cè)損傷很小。

(3)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受拉側(cè)損傷范圍隨銹蝕發(fā)展不斷增加,拱頂處彎矩不斷減小,但拱頂損傷在銹蝕發(fā)展過(guò)程中不斷加深,損傷區(qū)域逐漸擴(kuò)展,有貫穿襯砌的風(fēng)險(xiǎn),截面剛度損傷最顯著。

(4)鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)受到圍巖荷載以及離子侵蝕的影響,結(jié)構(gòu)自身的性能不斷劣化,出現(xiàn)內(nèi)力重分布現(xiàn)象。由于圍巖側(cè)鋼筋銹脹作用更嚴(yán)重,襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫均出現(xiàn)在圍巖側(cè)。拱頂?shù)牧芽p寬度發(fā)展最快,拱底發(fā)展最慢。