張子新， 谷冠思， 黃 昕， 張家奇， 張 弛

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系， 上海 200092； 2. 上海盾構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究中心有限公司， 上海 200137)

0 引言

盾構(gòu)隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過程中，防水是非常重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的防水方式是將橡膠密封墊粘貼在管片預(yù)先設(shè)計(jì)的凹槽內(nèi)，這樣能夠保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員對(duì)橡膠條的平整度進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整[1-3]。很多學(xué)者都對(duì)傳統(tǒng)密封墊的防水性能進(jìn)行了研究。H. Kurihara等[4]認(rèn)為彈性密封墊的防水能力與其孔洞率與斷面形式有關(guān)，其中斷面形式對(duì)防水能力的影響較為顯著。F. I. Shalabi等[5]通過對(duì)底部開口和閉口的2種斷面形式彈性密封墊的防水能力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)閉口形式有利于加強(qiáng)彈性密封墊與溝槽的接觸，從而減少該接觸面發(fā)生滲漏的可能性，提高彈性密封墊防水能力。陸明等[6]結(jié)合上海長(zhǎng)江隧道工程，對(duì)傳統(tǒng)彈性密封墊的斷面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。李永剛[7]基于南京長(zhǎng)江隧道工程，設(shè)計(jì)優(yōu)化了該處密封墊截面，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了耐水性能的檢驗(yàn)。S. Paul[8]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)彈性密封墊與管片溝槽的接觸面是可能發(fā)生滲漏的位置?？梢钥闯?，密封墊的斷面形式對(duì)其耐水性能有較大的影響。然而，已有研究對(duì)截面的優(yōu)化大多局限于孔洞形狀、大小、開孔率，很少考慮其他部位的影響。

為應(yīng)對(duì)上述難題，迫切需要研發(fā)新的盾構(gòu)隧道防水密封形式，進(jìn)而優(yōu)化接頭防水效果。本文提出的嵌入式密封墊則是考慮將腳部延伸，以改善其防水能力。實(shí)際上，傳統(tǒng)密封墊有2點(diǎn)不足： 一是增加現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的時(shí)間，同時(shí)，在時(shí)間較為緊迫的情況下，現(xiàn)場(chǎng)工人的作業(yè)精準(zhǔn)度得不到較好的保證；二是橡膠條和管片之間的粘結(jié)不夠緊密，在外部水壓的作用下，常常會(huì)發(fā)生滲漏現(xiàn)象，并且在凹槽內(nèi)積水，長(zhǎng)期作用下會(huì)腐蝕橡膠條。鑒于此，本文依托上海蘇州河深層排水調(diào)蓄隧道工程，對(duì)盾構(gòu)隧道管片接頭嵌入式密封墊防水性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 模型試驗(yàn)

上海蘇州河深層排水調(diào)蓄隧道工程的核心功能是系統(tǒng)提標(biāo)、排水防澇和初雨治理，建成后將拓展和豐富治水手段。該隧道最深處位于地下50～60 m，且臨近蘇州河道，水源豐富，按照靜水壓力考慮，深隧接縫防水的耐水壓力至少應(yīng)保證0.6 MPa。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的嵌入式密封墊能否保證應(yīng)有的防水效果，首先基于模型試驗(yàn)展開探究。

嵌入式接頭防水在混凝土結(jié)硬之前就將密封墊預(yù)埋于其中，待混凝土結(jié)硬后，二者緊密粘結(jié)在一起。橡膠墊與混凝土的接觸面路徑長(zhǎng)度大大增加，降低了從該路徑發(fā)生滲漏水現(xiàn)象的可能性。二者的滲流路徑及制備工藝如圖1和圖2所示。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在隧道建設(shè)中，機(jī)械精度、人員操作等因素會(huì)對(duì)管片拼裝的準(zhǔn)確度造成影響，因而導(dǎo)致接頭處的彈性密封墊無法發(fā)揮理想情況下的防水能力。出于對(duì)安全的考慮，設(shè)計(jì)之初就將張開量和錯(cuò)縫量作為關(guān)鍵指標(biāo)。張開量與錯(cuò)縫量示意圖如圖3所示。

試驗(yàn)中，通過試塊拼裝時(shí)的錯(cuò)位放置來控制管片的錯(cuò)縫量，通過油壓千斤頂加壓和一定厚度的墊片控制密封條的張開量。下部試塊底部連接水壓控制儀，從中心注水；上部試塊頂部中心安裝排氣閥。試驗(yàn)步驟如圖4所示。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

(a) 傳統(tǒng)密封墊

(b) 嵌入式密封墊

Fig. 1 Sketches of seepage paths of traditional sealing gasket and embedded sealing gasket

Fig. 2 Comparison between traditional sealing gasket and embedded sealing gasket

圖3 張開量和錯(cuò)縫量示意圖

圖4 試驗(yàn)步驟

圖5 試驗(yàn)裝置

管片接頭采用的彈性密封墊斷面形式現(xiàn)大多采用中孔形(“謝斯菲爾德”形)，在保證橫截面積和密封墊寬度、高度的要求下，將密封墊設(shè)計(jì)成如圖6所示的形式。在混凝土澆搗完成后，立即將密封墊放置于其上，二者共同進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，成型后的管片與密封墊緊密粘貼在一起，故管片的凹槽內(nèi)輪廓與密封墊外輪廓重合，二者尺寸一致。試塊形式及截面尺寸如圖7所示。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

預(yù)埋嵌入式混凝土試塊共分為4種形式。1)形式1。設(shè)置觀察槽，底部不包鋼。2)形式2。不設(shè)觀察槽，底部包鋼。3)形式3。密封條兩側(cè)設(shè)凹槽，底部不包鋼。4)形式4。密封條兩側(cè)設(shè)凹槽，底部包鋼。

觀察槽的設(shè)置是為了方便觀測(cè)試驗(yàn)中可能發(fā)生的滲漏水現(xiàn)象； 而取消觀察槽以及對(duì)試塊進(jìn)行包鋼處理，則是為了保護(hù)管片邊緣混凝土不被壓碎； 在密封墊兩側(cè)設(shè)置凹槽，是為了在夾持墊片的情況下控制接縫張開量的變化，在張開量相同的情況下，降低局部應(yīng)力集中，保證混凝土邊緣的完整。試塊形式說明見圖8。

圖6 密封墊截面尺寸(單位： mm)

(a) 試驗(yàn)試塊形式

(b) 試塊截面尺寸(單位： mm)

(a) 形式1

(b) 形式2

(c) 形式3

(d) 形式4

1.3 結(jié)果分析

本節(jié)將分別針對(duì)上述幾種形式試塊進(jìn)行模型試驗(yàn)，進(jìn)而分析錯(cuò)縫方式、管片構(gòu)造、混凝土滲水等情況對(duì)接頭防水能力的影響，技術(shù)路線如圖9所示。

圖9 技術(shù)路線

根據(jù)設(shè)計(jì)單位的經(jīng)驗(yàn)以及隧道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)單位的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[9]，張開量不超過7 mm(包括隧道外荷載和縱向轉(zhuǎn)向圓弧段等引起的張開量3 mm，管片制作和實(shí)際拼裝誤差2 mm以及臨近建筑施工引起的張開量2 mm)，錯(cuò)縫量不超過10 mm(管片尺寸公差±2 mm，管片型位公差±2 mm，機(jī)械拼裝精度±3 mm，人為、環(huán)境影響因素±2 mm，以及密封墊配合尺寸公差±1 mm)。由于張開量和錯(cuò)縫量的增加都會(huì)對(duì)隧道的防水產(chǎn)生不利影響，從最不利組合的角度來看，設(shè)計(jì)單位建議選取張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm這一設(shè)計(jì)指標(biāo)，可有效地提高防水安全系數(shù)，得出相對(duì)安全的結(jié)果。

1.3.1 形式1——設(shè)置觀察槽，底部不包鋼

試驗(yàn)在張開量10 mm、錯(cuò)縫量0 mm的情況下進(jìn)行。圖10為水壓時(shí)程曲線。曲線段分為3段，分別是： 1)注水(排氣)段①。在此過程中，水被有壓空氣擠入試塊中間的氣室內(nèi)，氣室內(nèi)原有空氣從上部試塊頂端排氣(水)孔排出，內(nèi)部水壓呈反復(fù)升降的狀態(tài)，直至內(nèi)部空腔幾乎全部由水體充滿，關(guān)閉上部排氣(水)口。 2)加壓監(jiān)測(cè)段②。該過程中，不斷控制水壓機(jī)，適度增大壓力，并且保證一定的持水時(shí)間，待基本穩(wěn)定后，再繼續(xù)增加水壓，此時(shí)應(yīng)仔細(xì)關(guān)注管片是否有滲漏水現(xiàn)象，同時(shí)觀察腔體內(nèi)水壓是否能夠保持，若出現(xiàn)突降，則可能已發(fā)生滲漏。 3)泄壓段③。待發(fā)生滲漏水現(xiàn)象后，卸掉壓力，至水壓顯示為0 MPa，繼而可打開排氣(水)口閥門，排出內(nèi)部水體，完成該組試驗(yàn)，并保存數(shù)據(jù)。

在該情況下，接頭處的耐水壓為0.9 MPa，能夠至少保持在0.82 MPa下不發(fā)生滲漏。從0.9 MPa降至0.82 MPa這一段曲線，不能說明發(fā)生了滲漏。這是因?yàn)樗畨耗軌蛟?.82 MPa這一階段穩(wěn)定相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，而壓力的降低則來源于橡膠材料在壓力作用下的蠕變效應(yīng)，直到橡膠變形達(dá)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

在進(jìn)行本試驗(yàn)之前，由于預(yù)加荷載較大，導(dǎo)致混凝土邊緣被壓碎，如圖11所示，可能因此造成了耐水壓力的不足。

圖10 水壓時(shí)程曲線(張開量10 mm、錯(cuò)縫量0 mm，第1組)

Fig. 10 Time-history curve of water pressure (with opening of 10 mm and staggered joint of 0 mm, Group 1)

圖11 混凝土邊緣被壓碎

為了保證試驗(yàn)準(zhǔn)確，本組又進(jìn)行了完好試塊的對(duì)照試驗(yàn)，獲得的時(shí)程曲線如圖12所示。

圖12水壓時(shí)程曲線(張開量10mm、錯(cuò)縫量0mm，第2組)

Fig. 12 Time-history curve of water pressure (with opening of 10 mm and staggered joint of 0 mm, Group 2)

可觀察到，該組試驗(yàn)的耐水壓力超過1.2 MPa，能夠穩(wěn)定在1.2 MPa左右。滲漏時(shí)發(fā)現(xiàn)，密封墊相互接觸處未出現(xiàn)滲漏水，主要在混凝土試塊處出現(xiàn)滲水印記。據(jù)此推測(cè)，滲漏路徑可能有2種： 1)密封墊與混凝土接觸處； 2)凸臺(tái)處混凝土厚度較低，在較高水壓作用下，可能形成滲流路徑。

1.3.2 形式2——不設(shè)觀察槽，底部包鋼

前述的形式1試塊，由于凸臺(tái)處混凝土厚度較低，在壓縮過程中容易出現(xiàn)混凝土被壓碎的情況，因此取消了試塊四周的觀察槽，并包鋼處理，以保證壓縮過程中混凝土的完整性，避免加水過程中水流深入到混凝土的微裂隙中。

本次試驗(yàn)因采用包鋼處理，故可以控制到設(shè)計(jì)工況(張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm)下加載。形式2第1組試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 水壓時(shí)程曲線(張開量7 mm、錯(cuò)縫量0 mm，第1組)

Fig. 13 Time-history curve of water pressure (with opening of 7 mm and staggered joint of 0 mm, Group 1)

當(dāng)水壓加載到0.9 MPa時(shí)，混凝土發(fā)生滲水，并有微裂縫出現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)水壓至少能維持在0.8 MPa；繼續(xù)向上加壓，水壓在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)有緩慢降低，但試塊接觸部分(包括密封條之間接觸處、密封條和混凝土接觸處)并未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；直至加壓到1.6 MPa仍然未發(fā)現(xiàn)接縫處漏水，由此推測(cè)，水流應(yīng)是從混凝土的微裂縫中滲出。鑒于本組試塊的混凝土齡期僅16 d，較28 d短，故可能是混凝土未完全結(jié)硬，內(nèi)部化學(xué)作用尚未全部完成，仍有小型裂縫存在，在千斤頂頂力作用下裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，形成完整的滲流通路以及儲(chǔ)水空間，導(dǎo)致上述試驗(yàn)現(xiàn)象。

為排除混凝土齡期因素干擾，制作了相同規(guī)格的試塊，養(yǎng)護(hù)28 d后再次進(jìn)行試驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖14所示。

由該組試驗(yàn)的水壓時(shí)程曲線可以看出，耐水壓力為1 MPa，待繼續(xù)向上加載水壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)角部密封墊接觸處有水漏出(如圖15所示)，并未發(fā)現(xiàn)混凝土滲水現(xiàn)象，說明混凝土在養(yǎng)護(hù)28 d后，內(nèi)部微裂縫逐漸在化學(xué)作用下閉合，符合實(shí)際工程的需要。如不繼續(xù)加壓，部分水從角部漏出后，水壓力降低至0.75 MPa左右，預(yù)計(jì)可維持相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，可認(rèn)為密封墊接觸處重新閉合，仍能保持一定的防水能力。

圖14 水壓時(shí)程曲線(張開量7 mm、錯(cuò)縫量0 mm，第2組)

Fig. 14 Time-history curve of water pressure (with opening of 7 mm and staggered joint of 0 mm, Group 2)

圖15 滲漏情況(張開量7 mm、錯(cuò)縫量0 mm，第2組)

Fig. 15 Leakage situation (with opening of 7 mm and staggered joint of 0 mm, Group 2)

1.3.3 形式3——密封條兩側(cè)設(shè)凹槽，不包鋼

管片欲加載到設(shè)計(jì)工況乃至彌合縫隙的狀態(tài)時(shí)，按照形式1和形式2的設(shè)計(jì)，需要較大的頂推力。在其作用下，管片可能會(huì)被頂碎，在內(nèi)部出現(xiàn)難以彌合的微裂縫。這樣的微裂縫會(huì)形成滲流通路，對(duì)管片的耐久度造成影響。

基于上述情況，新試塊在密封條兩側(cè)設(shè)置了凹槽。如此，便使得相鄰管片在張開量相同的情況下，受到更小的頂推力。

在張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm的設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行了1組試驗(yàn)，得到如圖16所示的水壓時(shí)程曲線。

圖16 水壓時(shí)程曲線(張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm，形式3)

Fig. 16 Time-history curve of water pressure (with opening of 7 mm and staggered joint of 10 mm, Group 3)

在該工況下，耐水壓力僅為0.6 MPa左右，遠(yuǎn)不如形式1和形式2。然而觀察到試塊上預(yù)埋的橡膠條表面不夠平整，當(dāng)千斤頂頂推時(shí)，用以控制張開量的金屬墊片并未全部壓緊，部分幾乎處于完全松動(dòng)的狀態(tài)。仔細(xì)查看后發(fā)現(xiàn)，滲漏點(diǎn)位于未壓緊墊片處，據(jù)此推測(cè)，該處密封墊壓縮量低于其他部位，因而產(chǎn)生的接觸應(yīng)力不足，無法抵抗較大的水壓力。

為驗(yàn)證該推測(cè)，本組重新制作了同尺寸的試塊，嚴(yán)格控制混凝土澆筑質(zhì)量，盡量使橡膠條表面足夠平整。同時(shí)，在試塊四周包鋼處理，保證墊片的夾持穩(wěn)定，起到較好控制壓縮量的目的。

1.3.4 形式4——密封條兩側(cè)設(shè)凹槽，包鋼處理

在張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm的設(shè)計(jì)工況下，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

圖17 水壓時(shí)程曲線(張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm，形式4)

Fig. 17 Time-history curve of water pressure (with opening of 7 mm and staggered joint of 10 mm, Group 4)

密封條的耐水壓力為1.1 MPa，當(dāng)壓力升至1.2 MPa時(shí)，密封條長(zhǎng)邊漏水(見圖18)，水壓降至0.9 MPa后能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。該過程中，并未發(fā)生混凝土滲水現(xiàn)象。

圖18 試驗(yàn)滲漏位置(形式4)

2 理論分析

2.1 本構(gòu)模型

在鄰近管片的壓縮過程中，由于混凝土和橡膠材料的剛度比足夠大，在模擬過程中，可將管片視作剛體，僅需考慮彈性密封墊橡膠材料本身的變形。橡膠一般被認(rèn)作超彈性材料，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性的，可通過彈性勢(shì)能函數(shù)進(jìn)行確定。

橡膠材料的本構(gòu)模型主要有2種描述方式[10]： 統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，本文采用后者。利用應(yīng)變不變量，Mooney提出應(yīng)變能函數(shù)：

WMR=C10(I1-3)+C01(I2-3)。

(1)

該函數(shù)符合Rivlin所提出的一般化應(yīng)變能式：

(2)

式中Cij為材料常數(shù)。

一般來說，該模型由于存在著無限個(gè)級(jí)數(shù)展開項(xiàng)，因此，工程上要觀察試驗(yàn)中的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選擇所需項(xiàng)。Mooney所提出的公式即是被廣泛應(yīng)用的Mooney-Rivlin本構(gòu)模型。

該模型基于以下2個(gè)假設(shè)： 1)橡膠不可壓縮且在變形前為各向同性材料； 2)簡(jiǎn)單剪切包括先受簡(jiǎn)單拉伸再與平截面上疊加，服從胡克定律。

使用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，需要確定C10和C012個(gè)力學(xué)參數(shù)。其彈性模量E與剪切模量G之間的關(guān)系為：

(3)

在超彈性材料中，泊松比μ取0.5，這是由材料的不可壓縮性確定的。因此，可得到E=3G。G、E、C10和C01的關(guān)系為：

(4)

E=6(C10+C01)。

(5)

其值可通過拉伸試驗(yàn)確定。

2.2 防水機(jī)制

彈性密封墊的工作原理主要包括2方面[11]： 1)擠壓密封。指在豎向裝配力的作用下，密封墊自身發(fā)生彈性形變，從而在接觸面上產(chǎn)生相應(yīng)的接觸應(yīng)力。其中壓縮量對(duì)密封性能和使用壽命有重要影響。2)自封作用。在側(cè)向流體的作用下，橡膠墊相當(dāng)于被動(dòng)提升了側(cè)限條件，使接觸應(yīng)力提高，增強(qiáng)了密封效果。

錯(cuò)縫量的增加會(huì)導(dǎo)致密封墊間接觸面積減小，更易暴露出密封墊拼裝的缺陷。張開量的增加會(huì)導(dǎo)致密封墊間的接觸應(yīng)力有一定程度的降低，進(jìn)而降低了防水能力。一般地，接觸應(yīng)力與防水能力的關(guān)系可表示為：

σn≥kσw。

(6)

式中：σn為接觸正應(yīng)力；σw為水壓；k為安全系數(shù)(不小于1.0)。

張開量與錯(cuò)縫量的增加都會(huì)導(dǎo)致防水能力的降低。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

國內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)橡膠材料Mooney-Rivlin本構(gòu)模型參數(shù)的確定進(jìn)行了一定研究，對(duì)本文的參數(shù)選取起到了一定的參考[12-17]。

由于混凝土的剛度遠(yuǎn)大于橡膠，故可以將混凝土看作為剛體，密封墊看作為可變性體。建模過程應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[18-19]：

1)材料屬性?；炷晾秒x散剛體建模，不需設(shè)置屬性。密封墊采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，參考張良等[20]研究的不同邵氏硬度對(duì)模型參數(shù)的影響規(guī)律，得到硬度和彈性模量之間指數(shù)型二次非線性擬合函數(shù)：

lnE=14.280 88-0.661 89x+0.007 25x2。

(7)

2)裝配。將密封墊對(duì)齊放置，在兩者之間預(yù)留0.01 mm的空間，以作為初始加載之用，避免初始增量步小于系統(tǒng)所提供的最小增量步。未加載時(shí)，張開量為22 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)工況，應(yīng)當(dāng)控制總壓縮量為15 mm。為確保收斂效果，將15 mm分3步加載，每次加載5 mm。

3)相互作用。設(shè)定密封墊與管片之間、密封墊與密封墊之間的接觸方式。其法向設(shè)置為硬接觸模式，切向設(shè)置為罰模式。取密封墊與管片間的摩擦因數(shù)為0.05，密封墊自接觸摩擦因數(shù)為0.3。

4)網(wǎng)格劃分。選用CPE3單元，該單元能較好地保證模型收斂，并于密封墊全局分布較密的種子。由于本模型在局部有彎折、尖角存在，容易在分析過程中出現(xiàn)單元侵徹現(xiàn)象，故需要對(duì)這些部位倒圓角處理。網(wǎng)格劃分情況如圖19所示。

圖19 壓縮模型網(wǎng)格劃分

3.2 結(jié)果分析

將接觸面上的結(jié)點(diǎn)組建成1條路徑(如圖20—22紅線所示位置)，導(dǎo)出該路徑上的接觸應(yīng)力，得到如圖20—22所示結(jié)果。圖20—22示出橡膠條壓縮后的形狀，從中能直觀地找出壓縮終點(diǎn)相互接觸的表面，并予以分析，得到沿接觸面的法向應(yīng)力。

(a) 橡膠條壓縮后形狀 (單位： MPa)

(b) 接觸面法向應(yīng)力

Fig. 20 Compression results when opening 10 mm and staggered joint of 0 mm

對(duì)比模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，如圖23所示?？梢钥吹?，橡膠條的最大耐水壓力接近于接觸面最大接觸應(yīng)力。當(dāng)張開量較大(即壓縮量較小)時(shí)，由于作業(yè)上的誤差，沿試塊四周的密封墊壓縮量難以保持一致，缺陷較大。隨著張開量的降低，數(shù)值模擬的結(jié)果并無較明顯提升，但模型試驗(yàn)的耐水壓力卻有較明顯的提升。此時(shí)，部分拼裝造成的誤差在壓縮過程中得以彌補(bǔ)，因而表現(xiàn)出耐水壓力上升的特點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)工況下，由數(shù)值模擬得出的接觸面上最大接觸應(yīng)力與模型試驗(yàn)得到的最佳結(jié)果大致相符，表現(xiàn)出較高的一致性。然而，模型試驗(yàn)中，仍有部分試驗(yàn)的結(jié)果僅為0.6 MPa。從圖22中可知，在錯(cuò)縫拼裝的情況下，與其中一條橡膠墊表面相互接觸的部分有二： 一為與之相對(duì)的橡膠條表面，二為與之相對(duì)的管片表面。前者的接觸面較為寬大，其最大接觸應(yīng)力為0.67 MPa；后者的接觸面較窄，其最大接觸應(yīng)力為1.12 MPa。由此觀之，當(dāng)外側(cè)接觸面失效后，主要由內(nèi)側(cè)接觸面發(fā)揮防水作用，其耐水壓降至0.6 MPa左右。事實(shí)上，外側(cè)接觸面是由被動(dòng)擠出的橡膠與混凝土共同構(gòu)成的，其寬度較窄小，且表面凹凸不平，在壓縮量不足以使表面所有縫隙彌合時(shí)，便容易有水?dāng)D入，使外側(cè)防線失效，故而僅由內(nèi)側(cè)接觸面決定其防水能力。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橡膠墊與自身所在的混凝土管片間最大的接觸應(yīng)力僅為0.64 MPa(張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm情況下)，但其最大防水能力遠(yuǎn)大于該數(shù)值，并且在模型試驗(yàn)的過程中，并未發(fā)現(xiàn)有水從橡膠墊與混凝土之間的縫隙流出。這可能是由于橡膠與混凝土預(yù)先澆筑在一起，二者之間具有較高的粘結(jié)力。其粘結(jié)緊密使得潛在縫隙數(shù)量大大減少，不易形成連貫的滲漏路徑，因而可提供該處較高的防水能力。

“張”指代“張開量”，“錯(cuò)”指代“錯(cuò)縫量”。

圖23模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

Fig. 23 Comparison between model test results and numerical simulation results

4 結(jié)論與討論

通過嵌入式密封墊模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的分析與對(duì)比，可得到以下結(jié)論。

1)嵌入式密封墊彌補(bǔ)了傳統(tǒng)防水接頭中有壓水易從密封墊與管片交界面處滲漏的缺陷，采用文中所設(shè)計(jì)截面形式的密封墊能夠滿足設(shè)計(jì)工況(張開量7 mm、錯(cuò)縫量10 mm)下0.6 MPa的防水要求。

2)在密封墊存在拼裝誤差(有錯(cuò)縫量)的情況下，會(huì)形成不連續(xù)的2段接觸面，即外側(cè)較窄的接觸面和內(nèi)側(cè)較寬的接觸面。該情況下的防水能力主要依賴于內(nèi)側(cè)接觸面的最大接觸應(yīng)力。

3)在一定范圍內(nèi)(文中從張開量10 mm到7 mm)隨著壓縮量的增大，接觸面上最大接觸應(yīng)力不會(huì)有明顯的提升，但密封墊腳部與混凝土間接觸應(yīng)力會(huì)增大，應(yīng)力集中程度更高，易將管片邊緣壓碎。故可采用在密封墊兩側(cè)設(shè)置凹槽，通過減小壓縮量來減弱密封墊腳部應(yīng)力的方式，減小混凝土開裂的可能性，保護(hù)混凝土管片。

目前設(shè)計(jì)的嵌入式密封墊在預(yù)制時(shí)，需要將其與混凝土共同養(yǎng)護(hù)?；炷猎诮Y(jié)硬過程中，表面伸縮與橡膠條不完全一致，使得橡膠條表面不夠平整，有起伏不平的現(xiàn)象，對(duì)防水能力存在不良影響。

研究發(fā)現(xiàn)，嵌入式密封墊有很大的應(yīng)用前景，雖然目前試驗(yàn)在有錯(cuò)縫量的情況下其防水能力存在不穩(wěn)定性，但下一步通過改進(jìn)其截面形式，尤其是使其在受壓變形后能夠令接觸面連續(xù)緊密貼合，可顯著增大其防水容錯(cuò)性能。