鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁變形過程實(shí)驗(yàn)研究★

李文勇 楊洪杰 吳嘉琪

(上海軌道交通十八號(hào)線發(fā)展有限公司，上海 200000)

在富含水地層中進(jìn)行地鐵建設(shè)時(shí)，常用人工凍結(jié)法來改良地層，提高土體強(qiáng)度并隔絕地下水，為構(gòu)筑施工提供圍護(hù)作用。施工中形成凍土的抗拉強(qiáng)度約為同溫度下抗壓強(qiáng)度的1/5～1/2，為了改善凍土結(jié)構(gòu)的抗拉性能，常在凍土中添加鋼管而形成鋼管凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高凍土的承載能力[1]。根據(jù)鋼管的直徑、間距及在凍土中位置，鋼管凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)又細(xì)分為管棚凍土結(jié)構(gòu)、管幕凍土結(jié)構(gòu)和鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)等，其中管棚凍土結(jié)構(gòu)的鋼管位于凍土結(jié)構(gòu)上邊緣，鋼管直徑小于其布置間距，鋼管為主要承載結(jié)構(gòu)；管幕凍土結(jié)構(gòu)中的鋼管直徑大于布置間距，常用頂管方法將大直徑鋼管頂入地層，而且鋼管間距小，形成凍土體積遠(yuǎn)小于鋼管，凍土主要作用是封水。而在鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)中，鋼管一般布置在凍土的下邊緣，鋼管直徑較小且間隔較遠(yuǎn)，形成凍土的體積遠(yuǎn)大于鋼管體積，凍土與鋼管協(xié)同變形，共同發(fā)揮承載作用[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞管棚凍土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能開展了較多研究，研究結(jié)果表明加入鋼管之后凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗彎承載力比未加鋼管前有較大提高，其承載能力和鋼管與凍土界面的粘結(jié)力大小有關(guān)。在砂性凍土與鋼管復(fù)合結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)鋼管凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)承載力比鋼管單體要高，而且鋼管凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)的承載力比純凍土梁和純鋼管梁的承載能力相比都大幅度提高，剛度也得到加強(qiáng)，在相同承載力條件下，采用管棚凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)可以降低凍結(jié)土方量，節(jié)約制冷費(fèi)用[3]。而對(duì)于管幕凍土結(jié)構(gòu)來說，受到凍結(jié)管直徑大的影響，凍土跟隨鋼管變形能力明顯與溫度有關(guān)，一般認(rèn)為當(dāng)凍土帷幕平均溫度控制在-10 ℃～-15 ℃范圍內(nèi)時(shí)，可保證鋼管凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，可明顯提高組合結(jié)構(gòu)的承載力[4]。

已有研究多是以管幕凍土或者是管棚凍土的復(fù)合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)于直徑較小鋼管與凍土的組合結(jié)構(gòu)來說，相關(guān)的研究鮮有報(bào)道，特別是在組合結(jié)構(gòu)變形過程中鋼管和凍土的協(xié)調(diào)變形方面開展的研究較少。本文以上海地鐵18號(hào)線江浦路段鋼管凍土施工工程為研究背景，通過室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)研究鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，分析結(jié)構(gòu)在承載過程中的變形規(guī)律，供工程應(yīng)用時(shí)參考。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)利用自行設(shè)計(jì)加工的試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行單根鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁的實(shí)驗(yàn)，梁的斷面尺寸(長(zhǎng)×寬×高)1 400 mm×150 mm×200 mm，在距梁底部25 mm位置布置1根φ34 mm×2 mm鋼管。采用在現(xiàn)場(chǎng)取土運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，按照原來的含水量重塑后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重塑土進(jìn)行分層填筑和夯實(shí)，保證梁構(gòu)件密度的均勻，在填土過程中將鋼管及傳感器等埋在相應(yīng)設(shè)計(jì)位置。加工好的試件在-20 ℃下冷凍72 h后拆除模板，并在-12 ℃下恒溫48 h后開始實(shí)驗(yàn)，以保證試件梁內(nèi)部溫度的均勻性。將加工好的試件梁放置在平臺(tái)上滾動(dòng)鉸支座與固定鉸支座之間，通過上部橫梁上的液壓千斤頂進(jìn)行加載，荷載測(cè)量采用荷重傳感器，連接顯示控制器直接顯示荷載值。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

溫度測(cè)點(diǎn)布置在梁的跨中截面中心以及底部，來測(cè)試試件的溫度，鋼管應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在鋼管兩側(cè)。沿試件高度方向選擇5個(gè)截面布設(shè)光纖，進(jìn)行凍土內(nèi)部應(yīng)變的測(cè)試，而試件梁的豎向位移采用位移計(jì)進(jìn)行采集，分別布置在梁跨中和荷載施加點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)具體布置如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

參照GB/T 50152—2012混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，正式開始前先進(jìn)行預(yù)加載，以檢驗(yàn)所有傳感器是否正常工作。鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁預(yù)加載值設(shè)為4 kN，檢查所有儀器都能正常工作后正式進(jìn)行加載。實(shí)驗(yàn)采用力和位移分級(jí)控制加載，在構(gòu)件達(dá)到極限荷載之前，每級(jí)荷載為估算極限荷載的10%，觀察時(shí)間為2 min。構(gòu)件達(dá)到極限承載力之后，采用位移控制加載，每級(jí)位移3 mm，持續(xù)時(shí)間2 min，直至試驗(yàn)梁破壞為止結(jié)束試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)過程中梁的破壞過程描述

在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著荷載的增加，鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁的位移成近線性增長(zhǎng)，初始加載階段的結(jié)構(gòu)梁基本處于彈性變形階段。當(dāng)荷載達(dá)到16 kN時(shí)，梁跨中位置底部開始出現(xiàn)裂紋，隨著荷載的增加，裂紋擴(kuò)展不明顯，其主要原因是鋼管的存在承擔(dān)了增加的荷載，而凍土承擔(dān)的荷載增加較小，所以凍土應(yīng)變?cè)黾虞^慢，梁底部裂紋基本未表現(xiàn)出擴(kuò)展。當(dāng)荷載增加到24 kN時(shí)，靠近加載位置的梁底部位置開始出現(xiàn)裂紋，其擴(kuò)展形態(tài)與跨中位置的裂紋基本相同。當(dāng)施加的荷載超過30 kN后，隨著荷載增加，梁底部位移增加較快，當(dāng)荷載達(dá)到38.9 kN時(shí)，梁跨中位置裂紋突然貫通，緊接著兩側(cè)加載位置裂紋也擴(kuò)展至梁頂部，而荷載值降至23 kN，此時(shí)可認(rèn)為鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁發(fā)生破壞。為了測(cè)試組合梁的承載能力，通過千斤頂繼續(xù)增加荷載值，梁頂部的荷載傳感器測(cè)定值不再變化，維持在23 kN左右，但梁位移隨著加載而繼續(xù)增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)組合梁的裂紋分布如圖2所示。

從鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁的變形過程可以看出，在加載初始階段，較小的荷載引起梁的變形也相對(duì)較小，鋼管和凍土協(xié)同發(fā)揮承載作用，梁的整體位移與荷載近似成線性關(guān)系。隨著荷載增加，梁跨中位置先出現(xiàn)裂紋，但此時(shí)鋼管會(huì)發(fā)揮主要承載作用，凍土變形增加較小，梁跨中位置的裂紋擴(kuò)展不明顯。當(dāng)梁發(fā)生破壞時(shí)，鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)仍然能起到一定承載作用，與凍土結(jié)構(gòu)的脆性破壞模式差別較大，說明鋼管的添加不僅可以提高組合結(jié)構(gòu)的承載力，而且可以有效增加組合結(jié)構(gòu)的延性，在結(jié)構(gòu)破壞后仍能發(fā)揮部分承載性能，這對(duì)于工程施工中應(yīng)對(duì)凍土結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)的意義重大。

2.2 跨中截面應(yīng)變分布研究

為了研究鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁在加載過程中的變形過程，選取跨中位置截面上的縱向應(yīng)變進(jìn)行分析。其中，P為實(shí)測(cè)荷載，Pmax為實(shí)測(cè)極限荷載，不同荷載條件下跨中截面的縱向應(yīng)變的變化曲線如圖3所示，圖3中正值代表拉應(yīng)變，負(fù)值表示壓應(yīng)變，截面高度為距底部的距離。

從圖3可以看出，在同一荷載作用下，鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁的縱向應(yīng)變值沿截面高度近似成線性分布，組合梁上部截面受壓，而下部截面受拉，這說明在整個(gè)橫截面的應(yīng)變分布基本符合平截面假定。隨著荷載增加，截面上不同位置處的縱向應(yīng)變都相應(yīng)增大，遠(yuǎn)離中間截面位置的應(yīng)變?cè)黾痈黠@，所以在梁的上端表現(xiàn)為最大壓應(yīng)變，下端為最大拉應(yīng)變。隨著荷載的增加，鋼管的承載作用逐步得到加強(qiáng)，截面的中性軸隨著荷載的增加而開始上移，特別是在裂紋出現(xiàn)后，拉應(yīng)變主要由鋼管承擔(dān)，所以中性軸上升更明顯。

2.3 鋼管與凍土共同工作性能分析

為了進(jìn)一步考察凍土與鋼管的共同工作性能，對(duì)鋼管表面應(yīng)變與鋼管位置的凍土應(yīng)變進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)過程中，鋼管和凍土的應(yīng)變變化過程如圖4所示。

從圖4中可以看出，荷載在5 kN以下時(shí)鋼管和凍土的變形協(xié)調(diào)一致，兩者的應(yīng)變值相同，鋼管和凍土共同承受外部荷載；隨著荷載增加，凍土應(yīng)變快速增加，而鋼管應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)相對(duì)較緩慢，二者之間差別說明凍土和鋼管開始出現(xiàn)滑移，且二者應(yīng)變差值隨荷載增加而越來越大。荷載超過16 kN后，凍土應(yīng)變的增加速率明顯變大，表現(xiàn)為曲線的斜率變化大，說明此時(shí)凍土內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，此時(shí)凍土承擔(dān)的相應(yīng)荷載轉(zhuǎn)移到鋼管上，也造成鋼管應(yīng)變的增加。所以，當(dāng)鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁承受荷載超過5 kN后，跨中位置處凍土與鋼管出現(xiàn)滑動(dòng)分離，但仍能各自發(fā)揮承載作用；荷載超過16 kN后凍土出現(xiàn)裂縫而造成應(yīng)變急劇增加，此時(shí)鋼管繼續(xù)發(fā)揮主要承載作用，這是鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)的承載能力遠(yuǎn)高于凍土結(jié)構(gòu)的直接原因。

3 結(jié)語

通過對(duì)鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

1)鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁在加載過程中跨中底部位置先行開裂，破壞時(shí)在加載位置和跨中形成三道貫通裂紋。

2)加載過程中鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁橫截面上的應(yīng)變分布仍符合平截面假定，中性軸會(huì)隨著荷載增加而上移。

3)鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)梁的鋼管與凍土出現(xiàn)滑動(dòng)分離后，仍能承擔(dān)部分荷載，這是鋼管凍土組合結(jié)構(gòu)的承載能力遠(yuǎn)高于凍土結(jié)構(gòu)的直接原因。