水工隧洞穿越活動斷層SPUA錨固長度試驗研究

孫曉強

(遼寧葠窩水力發(fā)電有限責任公司，遼寧 遼陽 111000)

1 研究背景

觀音閣輸水工程位于遼寧省中北部的太子河干流上，是將觀音閣水庫的水利用輸水隧洞和輸水管線輸入下游本溪市境內(nèi)的大型輸水工程[1]。工程建成之后可以有效緩解本溪市城區(qū)和新城規(guī)劃區(qū)域的用水緊張問題。該工程主要由取水頭部、輸水隧洞、輸水管道、配水站及分支管線等工程構(gòu)成[2]。觀音閣水庫為太子河干流上的大型水庫，正常蓄水位255.2 m，總庫容14.20億m3，水庫的凈調(diào)節(jié)水量為7.17億m3，可供水量為4.11億m3，可以有效保證工程的供水需求。

觀音閣輸水工程輸水隧洞的一標段主要穿越元古界沉積巖地層，埋深較大，且需要穿越多個斷層，特別是CK31斷層為活動斷層，對隧洞的設(shè)計施工提出了較高的要求。在工程建成之后的應(yīng)用階段，一旦該斷層活化，就會釋放出十分巨大的能量，給穿越該斷層的輸水隧洞的安全穩(wěn)定造成嚴重影響，甚至造成破壞[3]。因此，該洞段如果采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土剛性結(jié)構(gòu)，很難應(yīng)對斷層活化所造成的大變形影響[4]。為了解決上述問題，結(jié)合工程的實際情況，擬采用柔性連接方式，使隧洞在運行期間不會因為斷層活化作用的影響而產(chǎn)生斷裂破壞。

聚脲彈性體(簡稱 SPUA)是一種新型無溶劑、無污染的綠色材料，針對背景工程的特點和要求，擬將SPUA材料噴涂于鋼筋表面形成外包彈性結(jié)構(gòu)，并將其澆筑于研究洞段的混凝土中。為了獲取最佳工程效果，本文通過試驗研究的方式，探討SPUA錨固長度，以便為工程設(shè)計和建設(shè)提供必要的技術(shù)支持。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

此次試驗使用的膠凝材料為本溪市紅星建材有限公司出品的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為1.35 g/cm3，比表面積為430 m2/kg，初凝時間55 min，終凝時間280 min，各項技術(shù)指標均滿足實驗要求。試驗中使用的粗骨料為人工碳酸巖碎石，最大粒徑22 mm，堆積密度為1455 kg/m3；試驗用細骨料為天然河沙，含泥量小于25 kg/m3，堆積密度為1 350 kg/m3。SPUA是由異氰酸酯和氨基化合物反應(yīng)生成的一種彈性體物質(zhì)，無毒無有機揮發(fā)、不含固化劑。目前我國已開發(fā)出多種配方體系的SPUA材料，此次研究使用的是惠州市森德寶建材有限公司601型SPUA材料。試驗中使用的鋼筋是直徑16 mm的HRB335螺紋鋼；試驗用水為實驗室當?shù)氐淖詠硭?/p>

2.2 試樣的制作

研究中利用高壓噴槍進行鋼筋表面的SPUA材料的噴涂成型。按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)等工程技術(shù)規(guī)范中的相關(guān)要求，在進行中心拔出試驗過程中錨固長度不應(yīng)小于鋼筋直徑的5倍。結(jié)合本次試驗的要求和相關(guān)研究成果，試驗中設(shè)置鋼筋直徑的5倍、8倍和10三組不同錨固長度的試驗組進行研究。由于試驗用鋼筋直徑為16 mm，經(jīng)過計算并取整，得到三組試驗方案的錨固長度值分別為80 mm、130 mm和160 mm。

利用卡尺對噴涂SPUA材料的鋼筋進行測量并記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)。為了測量試驗過程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)，需要在試件的表面用電烙鐵粘貼應(yīng)變片[5]。根據(jù)上述混凝土結(jié)構(gòu)試驗標準，在進行鋼筋拔出試驗過程中試件的邊長應(yīng)該大于鋼筋直徑的10倍，因此最終確定混凝土試樣的尺寸為160 mm×160 mm×200 mm。在試樣的制作過程中，首先按照普通C40混凝土配合比稱量好原料，然后加入水并攪拌均勻。在澆筑之前需要對模具進行必要的清洗，并在其內(nèi)表面均勻涂刷一層脫模劑，然后將經(jīng)過SPUA材料處理的鋼筋放在模具的中央，然后澆筑混凝土并做好振搗，最后抹平試件的上表面。將制作好的試件靜置24 h拆模，然后將其轉(zhuǎn)移到標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護至28 d齡期。

2.3 試驗方法

試驗所用的儀器為WAW-1000電腦控制電液伺服萬能試驗機，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為了方便試驗的順利進行，在試驗時將制作好的試件放在特定的夾具內(nèi)。夾具由上下底板以及4根鋼輥組成，鋼輥的上端和下端設(shè)置有刨絲，用螺母將其與上下底板連接，這樣也便于試件的裝卸，夾具的底板設(shè)有球形鋼鉸，可以避免受拉鋼筋偏斜引起混凝土基體的撕裂。實踐過程中每級荷載為4 kN，加載后做好數(shù)據(jù)記錄并穩(wěn)定1 min，然后繼續(xù)加載直至發(fā)生相對滑移。每種不同錨固長度選擇3個試件進行試驗，并將其試驗數(shù)據(jù)均值作為最終試驗結(jié)果[6]。

圖1 試驗裝置示意圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象

對不同錨固長度的三組試樣進行試驗，結(jié)果顯示錨固長度為80 mm和130 mm時，試樣的破壞方式有兩種，分別是鋼筋從SPUA材料彈性體中拔出以及鋼筋和SPUA材料共同從混凝土中拔出，同時試樣的表面還存在不同程度的淺層開裂。在錨固長度為160 mm時，鋼筋和SPUA材料彈性體并沒有被拔出，其破壞形式也比較復(fù)雜。其中，混凝土的表層存在開裂破壞現(xiàn)象，中部的SPUA材料彈性體與混凝土之間膠結(jié)完整而鋼筋與SPUA材料彈性體的膠結(jié)面產(chǎn)生破壞；底部的鋼筋與SPUA材料彈性體的膠結(jié)面完好而SPUA材料彈性體與混凝土之間膠結(jié)面破壞。

3.2 荷載與滑移量之間的變化規(guī)律

在進行中心拔出試驗過程中，對鋼筋的加載端以及自由端的位移進行測量和記錄，而荷載可以由壓力傳感器測定。根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)，繪制出試樣的滑移量與拉拔荷載之間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，當錨固長度為80 mm和130 mm時，試驗過程可以大致分為微滑移階段、滑移階段和拔出階段三個主要階段。在微滑移階段，荷載呈現(xiàn)出勻速增加的特征，但是并沒有達到鋼筋、SPUA材料彈性體以及混凝土之間的拉拔荷載極限，因此鋼筋的自由端位移量明顯偏小，此時鋼筋、SPUA材料彈性體以及混凝土之間的膠結(jié)力成為阻礙鋼筋或SPUA材料彈性體被拉出的主要抗力，因此曲線呈現(xiàn)出比較明顯的線性特點。在滑移階段，鋼筋的自由端和加載端位移隨著拉拔荷載的增大而逐漸增大，鋼筋、SPUA材料彈性體以及混凝土之間出現(xiàn)比較明顯的相對滑動，期間產(chǎn)生的摩擦力成為阻礙鋼筋或SPUA材料彈性體被拉出的主要抗力，曲線的斜率有所減??；在拔出階段，鋼筋和SPUA材料彈性體以及混凝土之間出現(xiàn)十分顯著的滑動，試樣開始破壞，因此曲線呈現(xiàn)出不斷下降的特征。當錨固長度為160 mm 時，試驗過程可以大致分為微滑移階段、滑移階段兩個主要階段。在微滑移階段，鋼筋、SPUA材料彈性體以及混凝土之間的膠結(jié)力成為阻礙鋼筋或SPUA材料彈性體被拉出的主要抗力，因此曲線的變化與前兩種方案類似。在滑移階段，鋼筋、SPUA材料彈性體以及混凝土之間的部分膠結(jié)面失效，因此拉拔荷載的增速相對較緩慢，但一直呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢，直至混凝土表面出現(xiàn)開裂破壞停止，鋼筋也沒有被拔出。

圖2 不同錨固長度下荷載-滑移量變化曲線

3.3 鋼筋和SPUA材料彈性體長度變化

在試驗結(jié)束之后利用切割機切割試樣，然后取出其中的鋼筋以及SPUA材料彈性體，利用卡尺對其長度進行測量，并與試驗前的原始長度進行對比，結(jié)果如表1所示。由表中的計算結(jié)果可知，試驗前后的鋼筋以及SPUA材料彈性體的長度并沒有發(fā)生明顯的變化。究其原因，主要是在試驗過程中施加的荷載由鋼筋傳遞給SPUA材料彈性體，使其被明顯拉長，在試驗結(jié)束之后，SPUA材料彈性體的長度又慢慢恢復(fù)到了原來的長度，說明這種材料具有良好的彈性。

表1 鋼筋和SPUA材料彈性體長度試驗結(jié)果 mm

4 結(jié) 論

此次研究通過室內(nèi)試驗的方式，研究了水工隧洞穿越活動斷層柔性連接SPUA錨固長度問題，并獲得如下主要結(jié)論：

(1)錨固長度為鋼筋直徑的5倍和8倍時，鋼筋和SPUA材料彈性體被拔出，試樣的破壞方式比較簡單；錨固長度為鋼筋直徑的10倍時，鋼筋和SPUA材料彈性體并沒有被拔出，其破壞形式也比較復(fù)雜。

(2)滑移量與拉拔荷載之間的變化曲線來看，錨固長度為鋼筋直徑的5倍和8倍時，曲線呈現(xiàn)出先上升后下降的特點，說明鋼筋和SPUA材料彈性體被拔出；錨固長度為鋼筋直徑的10倍時，曲線一直為上升趨勢，鋼筋和SPUA材料彈性體并沒有被拔出。

(3)綜合上述研究結(jié)果，在工程應(yīng)用層面，建議錨固長度為鋼筋直徑的10倍左右。

(4)試驗前后的鋼筋以及SPUA材料彈性體的長度并沒有發(fā)生明顯的變化，說明SPUA材料具有良好的彈性，從機制層面揭示了其用于輸水隧洞柔性連接的機制。