千斤頂過(guò)大荷載作用管片裂紋擴(kuò)展規(guī)律探析

蘇　昂

(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)

盾構(gòu)法以其安全高效特點(diǎn)，成為城市地鐵最主要的施工方法[1]。隨著城市地鐵規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵穿越地層愈加復(fù)雜，施工過(guò)程中質(zhì)量問題逐漸增多。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越不良地質(zhì)或者停機(jī)更換刀具，可能引起盾體受困，通常采用增大千斤頂荷載的方式使盾構(gòu)機(jī)脫困。管片受到過(guò)大荷載作用，局部應(yīng)力集中程度高，引起管片裂損等問題出現(xiàn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程研究人員對(duì)盾構(gòu)隧道裂損病害進(jìn)行了大量研究。封坤、何川[2]等通過(guò)南京長(zhǎng)江隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)原型加載試驗(yàn)，研究了大型水下盾構(gòu)結(jié)構(gòu)在不同拼裝方式下的破壞特征；陳俊生[3]等采用足尺實(shí)驗(yàn)和三維有限元模擬施工階段管片局部開裂，得出管片間相對(duì)扭轉(zhuǎn)引起管片開裂和破損的結(jié)論；張學(xué)文[4]整理南京地鐵區(qū)間隧道襯砌病害，分析了運(yùn)營(yíng)期隧道病害的狀態(tài)及成因；竺維彬[5]對(duì)廣州、南京、法國(guó)里爾地鐵進(jìn)行比較，分析管片生產(chǎn)、施工、使用過(guò)程中的開裂原因；秦建設(shè)[6]等研究了盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與襯砌走向不協(xié)調(diào)導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)及混凝土開裂問題，提出相應(yīng)對(duì)策；葉耀東、朱合華[7]等分析現(xiàn)有上海軟土地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)隧道病害進(jìn)行分類，并初步分析病害原因；宋克志、袁大軍[8]等針對(duì)施工期管片破損現(xiàn)象，系統(tǒng)分析施工荷載作用管片襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征，對(duì)管片局部破損現(xiàn)象及產(chǎn)生原因進(jìn)行分析；畢景佩[9]針對(duì)地鐵隧道地表堆土現(xiàn)象，開展洞內(nèi)監(jiān)測(cè)及病害調(diào)查工作，并對(duì)管片裂縫病害進(jìn)行評(píng)價(jià)。

以上針對(duì)盾構(gòu)隧道裂損病害的研究，大部分基于室內(nèi)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)類比方法，定性分析隧道開裂的部分因素，而考慮裂紋擴(kuò)展過(guò)程的精細(xì)化三維數(shù)值模擬鮮見。此外，帶有裂紋的管片是非連續(xù)的，但在多數(shù)對(duì)管片裂紋的研究中，采用方法是將管片視作連續(xù)介質(zhì)。

鑒于此，本文基于擴(kuò)展有限元理論[10-12]，利用ABAQUS有限元軟件，建立管片精細(xì)化三維數(shù)值模型，模擬千斤頂過(guò)大荷載對(duì)管片的作用，對(duì)裂紋形態(tài)特征、裂損機(jī)制、擴(kuò)展規(guī)律、擴(kuò)展路徑進(jìn)行深入分析，得到了管片裂紋擴(kuò)展規(guī)律。

1　工程概況

1.1　區(qū)間地質(zhì)條件

該地鐵工程沿線地貌形態(tài)大部分場(chǎng)地為山前沖積平原及河流沖淤積平原地貌類型，部分地段為剝蝕殘山地貌類型。隧道穿越范圍內(nèi)涉及的地層復(fù)雜多變，與北京、上海等地層相對(duì)單一的城市比較起來(lái)，該地區(qū)地質(zhì)條件表現(xiàn)在地形地貌起伏多變、地層上軟下硬、巖性復(fù)雜多樣的獨(dú)特特征。

1.2　管片襯砌結(jié)構(gòu)特征

該地鐵工程管片環(huán)外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度350 mm，幅寬1.2 m，采用“3+2+1”分塊方式。管片環(huán)間設(shè)置凹凸榫，凸榫端部寬127 mm、凹槽內(nèi)部寬135 mm，環(huán)間凹凸榫連接時(shí)凸榫在凹槽中有8 mm的調(diào)整余量，管片構(gòu)造如圖1所示。該地鐵工程管片采用錯(cuò)縫拼裝，同時(shí)在管片環(huán)縫設(shè)置了凹凸榫槽連接，在施工過(guò)程中，若遇到不良施工荷載作用，極易造成管片結(jié)構(gòu)的損傷[13]。

圖1　管片構(gòu)造(單位：mm)

2　數(shù)值模擬

2.1　模型建立

目標(biāo)管片位于管片環(huán)右上部，共受到5對(duì)千斤頂推力作用，其中A區(qū)、B區(qū)作用千斤頂數(shù)量分別為3對(duì)、2對(duì)，千斤頂從左至右依次為1～5號(hào)千斤頂，管片選取如圖2所示。

圖2　管片選取

管片側(cè)面在加載過(guò)程中可能會(huì)與相鄰管片多次擠壓及分離，管片與相鄰管片之間接觸不是簡(jiǎn)單的鉸接或者固定端約束。在管片兩側(cè)建立基座[14]模擬這種復(fù)雜的邊界條件，管片模型如圖3所示?；捎萌s束，管片與基座之間在法向上設(shè)置硬接觸，管片之間可以傳遞壓力，并允許接觸后分離，切向采用基于罰函數(shù)法的庫(kù)侖摩擦模型。管片頂面不加約束，底面采用固定約束。

圖3　管片模型

2.2　模型參數(shù)

管片塑性損傷模型所需參數(shù)如下：混凝土彈性模量2.648×104MPa，泊松比為0.167，剪脹角為15°，偏心率為0.1，雙軸與單軸壓縮強(qiáng)度比值為1.16，屈服常數(shù)為0.666 7，管片混凝土的壓縮和拉伸特性[15]見表1。管片與基座之間的摩擦系數(shù)是0.3～0.4，本文取平均值0.35，管片與靴板間的摩擦系數(shù)因其表面粗糙度不同變化較大，本文摩擦系數(shù)取0.35[14]。

表1　混凝土壓縮拉伸特性

2.3　模擬工況

盾構(gòu)機(jī)穿越不良地質(zhì)或者停機(jī)更換刀具，可能引起盾體受困，通常采用增大千斤頂荷載的方式使盾構(gòu)機(jī)脫困。實(shí)際脫困過(guò)程，忽略千斤頂分區(qū)荷載差異，根據(jù)施工參數(shù)，盾構(gòu)機(jī)脫困千斤頂荷載為25 MPa，荷載大小見表2。

表2　千斤頂荷載

3　結(jié)果分析

3.1　裂紋形態(tài)特征

圖4為千斤頂過(guò)大荷載作用管片初始裂紋形態(tài)。可以看出，初始裂紋為“八”字形，與內(nèi)弧面上邊緣呈45°夾角，出現(xiàn)在管片中部?jī)?nèi)弧面上邊緣。

圖5為千斤頂過(guò)大荷載作用管片的最終裂紋形態(tài)?？梢钥闯?，裂紋位于管片中部3號(hào)千斤頂位置，管片內(nèi)、外弧面、頂面均出現(xiàn)大范圍網(wǎng)狀裂紋，內(nèi)、外弧面裂紋數(shù)量相當(dāng)，內(nèi)、外弧面裂紋沿著管片厚度方向貫穿，管片出現(xiàn)大范圍壓潰現(xiàn)象。表明千斤頂位置與管片裂紋分布直接相關(guān)，相同荷載千斤頂同時(shí)作用，管片中部3號(hào)千斤頂所在位置應(yīng)力水平更高，應(yīng)力集中程度更高，管片更易開裂和擴(kuò)展。

圖5　管片最終裂紋形態(tài)

3.2　管片裂損機(jī)制

圖6為起裂時(shí)刻管片最大主應(yīng)力云圖，可以看出，起裂時(shí)刻管片最大主應(yīng)力最大值為1.023 MPa，出現(xiàn)在管片中部?jī)?nèi)弧面上邊緣，最大主應(yīng)力最大值所在位置與管片起裂位置相一致，表明管片裂紋的產(chǎn)生是其最大拉應(yīng)力超過(guò)材料極限抗拉強(qiáng)度所致。

圖6　起裂時(shí)刻管片最大主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

3.3　裂紋擴(kuò)展規(guī)律

圖7為千斤頂過(guò)大荷載作用管片裂紋長(zhǎng)度隨壓縮量變化曲線圖，從圖中可以看出裂紋總長(zhǎng)度為4 032 mm，裂紋長(zhǎng)度變化呈現(xiàn)臺(tái)階式遞增的特點(diǎn)，管片在新裂紋產(chǎn)生之前，需要一定程度的能量積累才可能出現(xiàn)下一次新裂紋。

圖7　管片裂紋長(zhǎng)度變化

裂紋擴(kuò)展可以分為3個(gè)階段：裂紋初始擴(kuò)展階段、裂紋迅速擴(kuò)展階段、管片變形破壞階段。裂紋初始擴(kuò)展階段，管片壓縮量達(dá)到0.033 mm，裂紋開始出現(xiàn)。該階段管片壓縮總量為0.052 mm，裂紋總長(zhǎng)度為341 mm。裂紋迅速擴(kuò)展階段，管片壓縮量較小，裂紋發(fā)展迅速，絕大多數(shù)的裂紋均在該階段擴(kuò)展，管片壓縮總量為0.153 mm，裂紋總長(zhǎng)度為4 032 mm。管片變形破壞階段，裂紋長(zhǎng)度停止增長(zhǎng)，管片變形量不斷增大，最大變形量達(dá)到0.554 mm，表明管片結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大壓縮變形，發(fā)生區(qū)域性壓潰破壞。

3.4　裂紋擴(kuò)展路徑

管片裂紋擴(kuò)展全過(guò)程如圖8所示：千斤頂加載初期，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中程度較低，未出現(xiàn)裂紋。當(dāng)管片壓縮量達(dá)到0.033 mm，管片中部出現(xiàn)“八”字形裂紋，如圖8(a)所示。接著，裂紋發(fā)展成“小”字形裂紋，在旁邊衍生出平行裂紋如圖8(b)。此后，裂紋向內(nèi)弧面手孔和外弧面同時(shí)發(fā)展，如圖8(c)所示。頂面裂紋出現(xiàn)在螺栓孔周圍，裂紋擴(kuò)展至管片外弧面，與管片邊緣呈45°夾角，如圖8(d)所示。當(dāng)管片壓縮量達(dá)到0.153 mm時(shí)，手孔附近出現(xiàn)首條裂紋，隨后裂紋貫穿手孔，如圖8(e)所示。內(nèi)、外弧面裂紋發(fā)展較為迅速，很快形成相互交叉的大范圍網(wǎng)狀裂紋，直至管片最終破壞，如圖8(f)。

圖8　管片裂紋擴(kuò)展變化過(guò)程

4　結(jié)論

本文基于擴(kuò)展有限元理論，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立管片精細(xì)化模型，模擬千斤頂過(guò)大荷載對(duì)管片的作用，并對(duì)裂紋形態(tài)特征、裂損機(jī)制、擴(kuò)展規(guī)律、擴(kuò)展路徑進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)千斤頂過(guò)大荷載作用，管片因其最大拉應(yīng)力超過(guò)材料極限抗拉強(qiáng)度而開裂，初始裂紋出現(xiàn)在管片頂面中部?jī)?nèi)弧面邊緣。

(2)千斤頂荷載位置是影響管片裂紋擴(kuò)展的主要因素，管片中部更易出現(xiàn)裂紋，裂紋形態(tài)表現(xiàn)為管片中部的內(nèi)、外弧面、頂面大范圍網(wǎng)狀裂紋。

(3)裂紋長(zhǎng)度變化呈現(xiàn)臺(tái)階遞增的特點(diǎn)，裂紋擴(kuò)展可以分為3個(gè)階段：裂紋初始擴(kuò)展階段、裂紋迅速擴(kuò)展階段、管片變形破壞階段。絕大多數(shù)的裂紋發(fā)生在第二階段，第三階段管片結(jié)構(gòu)發(fā)生區(qū)域性壓潰破壞。