預(yù)制裝配式地下綜合管廊彈性密封墊防水性能試驗(yàn)研究

周玉生

(中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230023)

1 研究背景

預(yù)制裝配式綜合管廊是一種鋼筋混凝土箱型構(gòu)筑物，具有可在工廠或者施工現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制加工、現(xiàn)場(chǎng)安裝的特點(diǎn),具備較好的環(huán)保效益和社會(huì)效益。由于處于地下環(huán)境并受地下水侵蝕，接頭防水問題成為推廣應(yīng)用預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊亟待解決的關(guān)鍵問題。目前，現(xiàn)澆整體式綜合管廊普遍采用埋入帶鋼邊橡膠止水帶的方法解決結(jié)構(gòu)變形縫的防水問題。該方法要求綜合管廊主體結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)澆筑，并將帶鋼邊橡膠止水帶埋入其中形成防水體系，因此難以應(yīng)用于預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊接頭的防水處理。

針對(duì)地下預(yù)制結(jié)構(gòu)接頭的防水問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一定的研究工作，主要包括防水用橡膠材料物理力學(xué)性能的試驗(yàn)與理論分析，地下隧道預(yù)制襯砌接頭防水性能的初步理論分析與探索性試驗(yàn)等。上述研究工作提出了彈性密封墊的材料物理參數(shù)指標(biāo)和初步的接頭防水設(shè)計(jì)建議，但總體而言仍處于起步階段，且主要針對(duì)地下隧道預(yù)制襯砌結(jié)構(gòu)。而在預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊的接頭防水性能研究方面，從系統(tǒng)查閱的文獻(xiàn)資料看，國內(nèi)外尚未開展這方面的研究工作。

本試驗(yàn)針對(duì)遇水膨脹橡膠密封墊界面彈性密封墊的本構(gòu)關(guān)系和極限抗壓能力進(jìn)行試驗(yàn)，并通過有限元軟件模擬分析橡膠密封墊受力性能，將有助于綜合管廊接頭防水設(shè)計(jì)與施工，同時(shí)也有利于遇水膨脹橡膠的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用，通過試驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到以下目的：①研究遇水膨脹橡膠密封墊的靜力性能；②為綜合管廊接頭防水設(shè)計(jì)與施工提供參考；③為遇水膨脹橡膠密封墊的數(shù)值研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 工程概況

敞口式U型盾構(gòu)施工全預(yù)制地下綜合管廊是一種適合預(yù)制管廊施工的新型工法，試驗(yàn)段位于海口市椰海大道K09+397～K09+890段，其中標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)308 m，非標(biāo)準(zhǔn)段節(jié)點(diǎn)共3處，共長(zhǎng)185 m。

試驗(yàn)段位于椰海大道中央綠化帶下，覆土厚度3.5 m。管廊為雙倉斷面,寬為8.2 m，高為4.95 m，內(nèi)含給水、電力、通信等管線，如圖1所示。預(yù)制管節(jié)采用上下分割方案，豎向、縱向分別采用預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼進(jìn)行連接，如圖2所示。

圖1 管廊橫斷面圖

圖2 豎向分割示意圖

3 試驗(yàn)概況

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作

本試驗(yàn)采用的試件為2個(gè)帶凹槽的混凝土長(zhǎng)方體試塊，如圖3所示。遇水膨脹橡膠條的物理學(xué)性能參數(shù)見表1，其示意圖及實(shí)物照片如圖4所示。

圖3 試件模型示意圖(單位：mm)

表1 遇水膨脹橡膠條物理力學(xué)性能

圖4 遇水膨脹橡膠條(單位：mm)

3.2 加載與測(cè)試內(nèi)容

本次試驗(yàn)需要對(duì)遇水膨脹橡膠條施加平面外的均布荷載。對(duì)遇水膨脹橡膠條施加均布荷載的方式為通過計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)加載頭向圓形墊片施加位移荷載，再通過圓形墊片向加載的混凝土塊傳遞一定范圍的均布荷載并帶動(dòng)混凝土塊向下移動(dòng)擠壓遇水膨脹橡膠條，從而達(dá)到使遇水膨脹橡膠條均勻受力的目的。對(duì)每一塊試件均加載2次，考慮到試驗(yàn)機(jī)的量程和精度問題，故將加載的位移控制在7 mm以內(nèi)。

試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容主要包括：①遇水膨脹橡膠條豎直方向的壓力值；②遇水膨脹橡膠條豎直方向的位移值。試驗(yàn)加載裝置(最大量程是20 kN)如圖5所示。

4 試驗(yàn)過程與現(xiàn)象

4.1 試驗(yàn)過程

4.1.1 單調(diào)加載過程

第一次加載按照1 mm/min的速率施加位移荷載，在達(dá)到試驗(yàn)機(jī)最大加載位移7 mm的過程中，遇水膨脹橡膠條的變形明顯，之后按照5 mm/min的速率卸載，完全卸載后遇水膨脹橡膠條無明顯殘余變形。第二次按照同樣的速率施加和卸除位移荷載。四邊有約束試塊橡膠條的加載前后的變形如圖6所示。

圖6 遇水膨脹橡膠條加載前后變形圖

4.1.2 極限加載過程

試件1在經(jīng)過單調(diào)加載過程后，無明顯的變形，這表明遇水膨脹橡膠條未發(fā)生明顯破壞，故將遇水膨脹橡膠條放在微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)(最大量程300 kN)上進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)。按照5 kN/min的速率施加力荷載，直至達(dá)到50 kN時(shí)停止加載，將極限加載后的遇水膨脹橡膠條再次進(jìn)行單調(diào)加載，對(duì)比觀察橡膠條的壓力-位移曲線。圖7為極限加載過程的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖7 極限加載過程

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 單調(diào)加載壓力-位移試驗(yàn)曲線

由4.1加載過程可知，在豎向施加位移荷載過程中遇水膨脹橡膠均勻變形，這表明在縱向四角點(diǎn)預(yù)應(yīng)力作用下遇水膨脹橡膠條在整個(gè)周長(zhǎng)范圍內(nèi)均勻受力，因此單位面積遇水膨脹橡膠條受到的應(yīng)力可按公式(1)計(jì)算:

(1)

式中：N為頂面受到的壓力；A為頂面的面積。當(dāng)達(dá)到最大荷載20 kN時(shí)，應(yīng)力為3.6 MPa。

試驗(yàn)過程中遇水膨脹橡膠條的壓力-位移曲線如圖8所示。

圖8 遇水膨脹橡膠條壓力-位移曲線

圖8中,試件1-1表示兩邊約束試件第一次加載，變形穩(wěn)定之后的實(shí)際位移為6.73 mm；試件1-2表示兩邊約束試件第二次加載，變形穩(wěn)定之后的實(shí)際位移為5.8 mm；試件2-1表示四邊約束試件第一次加載，變形穩(wěn)定之后的實(shí)際位移為6.75 mm;試件2-2表示四邊約束試件第二次加載，變形穩(wěn)定之后的實(shí)際位移為5.56 mm。直線表示表面應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力，圖中的交點(diǎn)坐標(biāo)表示了當(dāng)應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的位移。

由圖8可知，試件1-1、1-2、2-1和2-2的表面應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，其位移荷載分別為5.57 mm、4.71 mm、5.47 mm和4.47 mm?？梢钥闯?，相同加載力作用下，第二次加載達(dá)到的最大位移值比第一次加載達(dá)到的最大位移值小。這可能是由于，與第一次加載初始條件相比，第二次加載時(shí)橡膠條以及橡膠條與混凝土試塊接觸更為緊密，故橡膠條受到的力荷載更早達(dá)到試驗(yàn)機(jī)的最大量程，但差異不大。

4.2.2 極限抗壓后壓力-位移試驗(yàn)曲線

極限抗壓后的壓力-位移試驗(yàn)曲線如圖9所示。

通過圖9對(duì)比極限加載后的曲線和試件1-1、試件1-2曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)極限荷載達(dá)到50 kN時(shí)，即極限加載使截面壓應(yīng)力為9 MPa時(shí)，遇水膨脹橡膠條仍能保持良好的受力性能，這表明遇水膨脹橡膠條的最大極限破壞荷載大于50 kN，滿足綜合管廊中接頭防水的受力需求。

4.3 密封墊壓力-位移關(guān)系曲線擬合

試驗(yàn)擬合曲線的計(jì)算公式如下：

N=0.45Δ2-0.93Δ+0.61

(2)

N=0.76Δ2-1.71Δ+1.28

(3)

N=0.56Δ2-1.47Δ+1.04

(4)

N=0.81Δ2-1.65Δ+1.23

(5)

試驗(yàn)曲線與擬合曲線的對(duì)比圖,如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，兩者較為接近，表明擬合情況良好。

圖10 試驗(yàn)曲線與擬合曲線的對(duì)比圖

5 數(shù)值模擬

5.1 數(shù)值模型

5.1.1 單元類型與網(wǎng)格劃分

采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)模型試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮兩邊約束試件第一次單調(diào)加載過程，數(shù)值模型中，遇水膨脹橡膠條采用SOLID185單元模擬，將混凝土試塊對(duì)遇水膨脹橡膠條的約束簡(jiǎn)化為模型底面約束和兩側(cè)線條的約束，在模型頂面施加5 mm的均勻位移荷載，試驗(yàn)數(shù)值模型如圖11所示。

圖11 遇水膨脹橡膠條有限元模型

5.1.2 材料模型

本次模擬采用的是雙參數(shù)Mooney-Rivlin超彈模型，超彈性是指可以經(jīng)歷可恢復(fù)的大彈性應(yīng)變的材料，而且，超彈性材料通常具有非常小的可壓縮性，這通常被稱為不可壓縮性。不可壓縮的橡膠材料模型幾乎與雙參數(shù)現(xiàn)有的ANSYS Mooney-Rivlin模型相同，在30%～200應(yīng)變范圍內(nèi)，模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性都很好。通過輸入C10，C01，υ來定義應(yīng)變能量函數(shù)[5]：

(6)

(7)

(8)

5.1.3 邊界與荷載條件

模型的邊界與荷載條件如圖12所示。

圖12 數(shù)值模型及其邊界與荷載

5.2 5 mm位移荷載施加后結(jié)果

對(duì)模型施加5 mm位移荷載后結(jié)構(gòu)y向(垂直于橡膠條方向)位移、應(yīng)力模擬結(jié)果如圖13所示。

圖13 數(shù)值分析結(jié)果

由圖13a可知，遇水膨脹橡膠條中間部分位移較均勻，橡膠條變形受約束作用向外擴(kuò)散。由圖13b可知，遇水膨脹橡膠條中間部分的壓應(yīng)力在2.04～3.26 MPa，試驗(yàn)中試件1-2加載到5 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力是10.678 kN，按照公式(1)計(jì)算得到的應(yīng)力為1.8 MPa，兩者的誤差不大，考慮數(shù)值模擬采用的橡膠彈模與實(shí)際彈模的誤差以及邊界條件對(duì)結(jié)果有所影響。

試件1-1，試件1-2在y方向的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比如圖14所示。

圖14 y方向荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比

由圖14可知，數(shù)值模擬的荷載-位移曲線與試件1-1、2-1的荷載-位移曲線較為接近，與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明了數(shù)值模型的正確性。

6 結(jié) 論

本試驗(yàn)以敞口式U型盾構(gòu)施工全預(yù)制地下綜合管廊為背景，通過足尺模型試驗(yàn)，對(duì)綜合管廊接頭的遇水膨脹橡膠條的受力性能進(jìn)行了研究，主要研究結(jié)論如下：

(1)在外力面荷載的作用下，接頭拼縫處的遇水膨脹橡膠條處于均勻受壓狀態(tài)，其界面應(yīng)力可按公式(1)計(jì)算。

(2)遇水膨脹橡膠條具有較為明顯的非線性變形特性，其壓力-變形關(guān)系可用公式(2)(3)(4)(5)所示的二次多項(xiàng)式表示。

(3)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試件1-1、1-2、2-1和2-2的表面應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa時(shí)，其位移荷載分別為5.57 mm、4.71 mm、5.47 mm和4.47 mm。

(4)重新單調(diào)加載得到的壓力-位移曲線表明：當(dāng)荷載達(dá)到50 kN時(shí)，即加載使截面壓應(yīng)力為9 MPa時(shí)，卸載后，遇水膨脹橡膠條仍具有良好的受力性能。

(5)有限元模擬的位移結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果符合較好，對(duì)比結(jié)果表明了有限元模型的正確性。