張亞洲
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092)
隨著城市建設(shè)的快速推進(jìn)及交通需求的增加,我國(guó)盾構(gòu)法施工隧道不斷朝大直徑、高水壓方向發(fā)展[1-3]。因盾構(gòu)隧道由預(yù)制管片逐塊、逐環(huán)拼裝而成,管片塊間、環(huán)間存在大量接縫,使得接縫防水問(wèn)題已成為制約盾構(gòu)隧道技術(shù)發(fā)展的重要因素。目前我國(guó)的管片接縫防水構(gòu)造中,三元乙丙橡膠(EPDM)彈性密封墊是最重要、最常用的防水材料,其主要依靠橡膠密封墊的彈性壓密,以接觸面的表面接觸應(yīng)力來(lái)止水。彈性密封墊生產(chǎn)出廠后,運(yùn)輸至盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場(chǎng),經(jīng)臨時(shí)存放、槽口粘貼、隨管片下井拼裝直至其發(fā)揮防水作用,整個(gè)過(guò)程中諸多環(huán)節(jié)都影響密封墊表面工作狀態(tài),成為密封墊防水能力的影響因素。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)接縫彈性密封墊防水能力的研究方法主要有試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。文獻(xiàn)[4-10]結(jié)合實(shí)際工程對(duì)接縫的防水性能要求,對(duì)彈性密封墊進(jìn)行了一字縫、T字縫防水試驗(yàn)和閉合壓縮力試驗(yàn)。文獻(xiàn)[11-16]基于不可壓縮橡膠材料Mooney-Rivlin本構(gòu)模型,利用數(shù)值分析軟件對(duì)彈性密封墊在不同形狀及壓縮量下的變形特征、接觸面應(yīng)力分布及壓縮力進(jìn)行數(shù)值模擬分析,取得了大量研究成果。在考慮彈性密封墊工作狀態(tài)上: 劉建國(guó)等[17]對(duì)密封墊防水機(jī)制進(jìn)行闡述,對(duì)孔壁失穩(wěn)與閉合壓縮的過(guò)程及孔洞氣囊效應(yīng)進(jìn)行探索;孫廉威[18]建立彈性密封墊受水壓作用下的數(shù)值模型,對(duì)彈性密封墊在不同張開(kāi)量下的防水性能、接觸應(yīng)力分布以及防水失效模式進(jìn)行研究,提出基于施加水壓的防水性能評(píng)價(jià)方法。
目前在密封墊的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究中,普遍忽略了密封墊表面工作狀態(tài),如: 密封墊底部與管片粘接狀態(tài)、密封墊頂面涂抹水性潤(rùn)滑劑狀態(tài)、彈性密封墊沾水浸濕狀態(tài)等。本文以上述學(xué)者的研究為基礎(chǔ),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)出現(xiàn)的多種工況,建立彈性密封墊數(shù)值計(jì)算模型,探討密封墊多種表面工作狀態(tài)下的防水能力。
依據(jù)設(shè)計(jì)斷面形式,彈性密封墊在工廠由三元乙丙橡膠擠出硫化成型后,加工成棱角分明的框形,環(huán)、縱向尺寸與管片防水槽口尺寸相匹配。通常情況下,彈性密封墊經(jīng)生產(chǎn)至隨管片拼裝就位發(fā)揮防水作用,會(huì)經(jīng)過(guò)如下幾道施工工序:
1)密封墊運(yùn)輸及存儲(chǔ)。批量的框形彈性密封墊運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)暫時(shí)存儲(chǔ)。
2)管片防水槽口清理。采用鏟刀、毛刷及稀釋劑等清除管片防水槽口表面的泥沙、粉塵、浮漿、水漬、油污等雜質(zhì)。
3)密封墊粘貼。將框形密封墊套在管片上,在密封墊底面及防水槽口涂刷膠黏劑;采用四角定位法將密封墊粘貼在防水槽內(nèi),并用橡膠錘擊打密封墊,使其粘貼牢固。
4)涂刷潤(rùn)滑劑。為減少封頂塊管片插入時(shí)彈性密封墊間的摩擦阻力,封頂塊與鄰接塊兩側(cè)防水密封墊在拼裝前涂表面潤(rùn)滑劑。
5)養(yǎng)護(hù)及下井拼裝。養(yǎng)護(hù)12 h后,隨管片下井至盾尾拼裝就位,在千斤頂頂壓(環(huán)縫)或管片自重(縱縫)作用下壓實(shí),經(jīng)螺栓初擰、復(fù)擰后,相鄰兩密封墊產(chǎn)生接觸應(yīng)力。
6)在隧道后續(xù)施工及正常運(yùn)營(yíng)期間發(fā)揮防水作用。
根據(jù)1.1節(jié)分析可知,密封墊表面工作狀態(tài)存在以下影響因素:
1)密封墊粘貼質(zhì)量難以控制。潮濕的基層表面、界面清理不佳,粘結(jié)劑涂刷不飽滿,養(yǎng)護(hù)時(shí)間不夠等均無(wú)法保證管片密封墊的粘貼質(zhì)量。
2)根據(jù)弗雷克利等[19]的研究成果,干燥狀態(tài)的橡膠具有很高的摩擦因數(shù),但當(dāng)橡膠用水濕潤(rùn)后其摩擦大大降低。對(duì)于封頂塊及鄰接塊接縫,密封墊頂面摩擦狀態(tài)受水性潤(rùn)滑劑涂刷情況影響,當(dāng)涂抹水性潤(rùn)滑劑后,摩擦性能降低顯著。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)塊接縫,密封墊摩擦狀態(tài)受施工時(shí)的天氣狀況、拼裝時(shí)是否浸水等情況的影響。
3)密封墊隨管片拼裝就位后,迎水面直接與水接觸,背水面暫時(shí)處于干燥狀態(tài),隨著隧道長(zhǎng)期沉降、變形及水的緩慢滲透作用,密封墊表面及內(nèi)部可能受潮,從而影響工作狀態(tài)。
基于上述分析,本文建立密封墊有限元數(shù)值計(jì)算模型,重點(diǎn)研究密封墊底部粘貼、頂部涂抹潤(rùn)滑劑及沾水濕潤(rùn)等狀態(tài)的影響,并討論長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的密封墊防水能力。
根據(jù)圖1所示密封墊槽口和彈性密封墊斷面形式建立相應(yīng)的二維有限元模型[18]。模型中混凝土密封墊槽口采用剛體進(jìn)行模擬,彈性密封墊則采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。網(wǎng)格采用四邊形單元,共劃分3 214個(gè)單元。彈性密封墊有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。
(a) 防水槽口斷面
(b)密封墊斷面形式
Fig. 1 Cross-sections of waterproof notch and sealing gasket (unit: mm)[18]
圖2 彈性密封墊有限元網(wǎng)格
根據(jù)上文密封墊表面工作狀態(tài)的分析,將密封墊分為頂面U、底面D、外側(cè)(迎水面)O、內(nèi)側(cè)(背水面)I以及內(nèi)孔C 5個(gè)區(qū)域,如圖3所示。
圖3 密封墊分區(qū)示意圖
根據(jù)具體工況的不同,模擬密封墊與槽口之間及密封墊自身的相互作用(綁定或接觸)。綁定約束(TIE)將2個(gè)區(qū)域進(jìn)行綁定,防止發(fā)生分離或相對(duì)滑動(dòng)。接觸作用設(shè)定為法向硬接觸,切向采用罰接觸,切向摩擦因數(shù)根據(jù)情況設(shè)定,且允許接觸分離。
圖4為相互作用設(shè)置示意圖,設(shè)定主要原則如下:
1)對(duì)于頂面U涂抹水性潤(rùn)滑劑的情況,考慮潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑作用,設(shè)定上、下密封墊間接觸摩擦因數(shù)為0.1。密封墊干燥狀態(tài)時(shí),摩擦因數(shù)設(shè)定為0.5[15, 18];沾水時(shí)考慮摩擦因數(shù)的降低[19],設(shè)定為0.25,如圖4(a)所示。
2)對(duì)于底面D,若考慮粘貼作用,密封墊8個(gè)梳形齒底部與槽口間設(shè)置為綁定(TIE)作用,如圖4(b)T1~T8所示; 底部開(kāi)放孔與槽口間及底部開(kāi)放孔自身接觸摩擦因數(shù)為0.5,如圖4(c)和4(d)所示。若不考慮粘貼作用,密封墊底部與槽口間接觸摩擦因數(shù)及密封墊底部自接觸的摩擦因數(shù)根據(jù)是否沾水分別設(shè)定為0.25、0.5,如圖4(h)和4(i)所示。通常,水性潤(rùn)滑劑在密封墊已牢固粘貼于槽口后涂抹,故不考慮密封墊底部接觸摩擦因數(shù)為0.1的工況。
(a) 密封墊頂面接觸U (b) 密封墊底部綁定T1~T8
(c) 密封墊底部與槽口接觸 E1~E6 (d) 密封墊底部自接觸E7~E12
(e) 密封墊內(nèi)、外側(cè)自接觸I1、I2、O1、O2(f) 密封墊外側(cè)與槽口接觸O3~O6
(g) 密封墊內(nèi)側(cè)與槽口接觸I3~I(xiàn)6 (h) 密封墊底部與槽口接觸D1、D2
(i) 密封墊底部自接觸D3、D4 (j) 密封墊內(nèi)孔自接觸C1~C8
圖4相互作用設(shè)置示意圖
Fig. 4 Interaction settings
3)對(duì)于外側(cè)(迎水面)O、內(nèi)側(cè)(背水面)I,考慮過(guò)量涂抹水性潤(rùn)滑劑工況、干燥工況及沾水工況,接觸摩擦因數(shù)分別設(shè)定為0.1、0.5、0.25,如圖4(e)—(g)所示。
4)對(duì)于內(nèi)孔C,根據(jù)長(zhǎng)期高水壓工作下水是否浸潤(rùn),其接觸摩擦因數(shù)分別設(shè)定為0.25、0.5。實(shí)際施工時(shí),涂抹于密封墊表面水性潤(rùn)滑劑較少,不會(huì)滲透入內(nèi)孔中,故內(nèi)孔不存在接觸摩擦因數(shù)為0.1的工況,如圖4(j)所示。
為研究上述不同相互作用組合情況對(duì)密封墊防水能力的影響,設(shè)定A1—A14共計(jì)14項(xiàng)計(jì)算工況,各計(jì)算工況的接觸條件如表1所示。
表1 計(jì)算工況的接觸條件
注: 數(shù)值為摩擦因數(shù)。
橡膠材料應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性關(guān)系主要通過(guò)應(yīng)變能函數(shù)來(lái)定義。對(duì)于盾構(gòu)隧道防水用三元乙丙橡膠密封墊,工程上通常采用Mooney-Rivlin模型來(lái)模擬,該模型需明確C01與C102個(gè)密封墊參數(shù)?;谙鹉z材料的不可壓縮性,其泊松比μ=0.5,彈性模量E、剪切模量G及泊松比μ與密封墊計(jì)算參數(shù)C10、C01之間關(guān)系如下:
(1)
Gent[20]采用理論分析后建議橡膠材料Mooney-Rivlin本構(gòu)模型材料參數(shù):C10=4C01,G=10C01。
通常采用試驗(yàn)將對(duì)C10、C01的確定轉(zhuǎn)化為對(duì)E或G的確定。在不進(jìn)行試驗(yàn)的情況下,可根據(jù)E或G與橡膠硬度的關(guān)系來(lái)確定,目前文獻(xiàn)中常見(jiàn)以下3種計(jì)算公式。
E=(15.75+2.15HA)/(100-HA)。
(2)
式中HA為邵爾硬度[20-21]。
G=0.086×1.045H。
(3)
式中H為橡膠硬度[15, 22]。
鄭明軍等[23]根據(jù)弗雷克利等[19]提出的橡膠材料IRHD硬度Hr與E的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到
lgE=0.019 8Hr-0.543 2。
(4)
目前,我國(guó)大直徑盾構(gòu)隧道三元乙丙彈性橡膠密封墊指標(biāo)要求多采用邵爾(Shore)A硬度指標(biāo),式(4)采用的國(guó)際硬度(IRHD)指標(biāo)不適用。硬度HA范圍值多為60~70,采用式(2)和式(3)計(jì)算得到的C01、C10均相差不到1.5%,相差很小。本文采用式(2),取三元乙丙橡膠硬度值為65,代入式(2)得C01=0.148 MPa,C10=0.592 MPa。
在本文計(jì)算中,密封墊槽口采用剛體進(jìn)行模擬,初始邊界條件為: 在下部槽口的參考點(diǎn)2處(見(jiàn)圖2)約束其豎向、側(cè)向和轉(zhuǎn)動(dòng)位移;在上部槽口的的參考點(diǎn)1處約束其側(cè)向和轉(zhuǎn)動(dòng)位移,利用其豎向位移使彈性密封墊進(jìn)行壓縮。
彈性密封墊壓縮后,會(huì)在其與槽口及密封墊間的接觸面處產(chǎn)生接觸應(yīng)力。由于彈性密封墊間的接觸應(yīng)力分布是不均勻的,通常密封墊的防水能力介于平均接觸應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力之間。為簡(jiǎn)化考慮,從安全角度出發(fā),本文采用密封墊頂部接觸面的平均接觸應(yīng)力評(píng)價(jià)密封墊的防水能力。
孫廉威[18]采用有限元軟件對(duì)圖1所示的彈性密封墊進(jìn)行了壓縮情況下的接觸應(yīng)力分析,得到了彈性密封墊在張開(kāi)6 mm時(shí)的密封墊頂面接觸應(yīng)力分布,如圖5中藍(lán)線所示。為了驗(yàn)證本文建立的模型的合理性,提取本文模型(工況A14)計(jì)算得到的在張開(kāi)6 mm時(shí)的密封墊頂面接觸應(yīng)力,如圖5中紅線所示。
圖5 本文模型與孫廉威[18]計(jì)算模型結(jié)果比較
從圖5中可以看出,用本文模型計(jì)算得到的接觸應(yīng)力與孫廉威[18]計(jì)算結(jié)果在趨勢(shì)上吻合較好,具體數(shù)值稍有差異,但總體差異不大,這主要是由于密封墊計(jì)算參數(shù)(C01、C10)選取有所區(qū)別。這在一定程度上驗(yàn)證了本文模型的合理性,為后續(xù)分析彈性密封墊在不同表面工作狀態(tài)下的防水能力分析奠定了基礎(chǔ)。
表1所示計(jì)算工況中,工況A1及A14為目前文獻(xiàn)中最常見(jiàn)的2種計(jì)算方式: A1僅考慮了密封墊底部與槽口的粘貼(TIE)作用,未考慮頂部潤(rùn)滑作用、雨水浸潤(rùn)狀態(tài);A14為密封墊干燥狀態(tài),不考慮密封墊底部與槽口的粘貼作用、頂部潤(rùn)滑作用、雨水浸潤(rùn)狀態(tài)。A3為考慮密封墊表面工作狀態(tài)(頂面涂潤(rùn)滑劑、底面與槽口粘貼、外側(cè)臨水濕潤(rùn)、內(nèi)側(cè)干燥)的計(jì)算工況。A1、A14、A33種工況計(jì)算結(jié)果如圖6所示。
圖6 考慮密封墊表面狀態(tài)的計(jì)算與常規(guī)計(jì)算結(jié)果對(duì)比
Fig. 6 Comparison between calculation results considering gasket surface conditions and conventional calculation results
由圖6可知,是否考慮密封墊表面工作狀態(tài)對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響,閉合壓縮力誤差相對(duì)較小(約為3.3%),平均接觸應(yīng)力誤差相對(duì)較大(約為23.9%),考慮密封墊表面工作狀態(tài)的平均接觸應(yīng)力小于常規(guī)方法的計(jì)算結(jié)果。因此,采用常規(guī)方法計(jì)算平均接觸應(yīng)力評(píng)價(jià)密封墊防水能力時(shí),可能存在不安全因素,而考慮密封墊表面工作狀態(tài)的計(jì)算則較為安全、合理。
為考慮底部粘貼效應(yīng)的影響,選取3組具有單一變量的對(duì)比工況組(即A3與A6,A4與A7,A5與A8),計(jì)算得到的閉合壓縮力及平均接觸應(yīng)力如圖7和圖8所示。
由圖7和圖8可知,考慮密封墊底部粘貼效應(yīng)的閉合壓縮力及平均接觸應(yīng)力均大于不考慮底部粘貼效應(yīng)時(shí)的結(jié)果,其中閉合壓縮力的影響值范圍為3.1%~19.9%,平均接觸應(yīng)力影響值范圍為0~24.5%。這主要是因?yàn)檎迟N劑的約束,密封墊在壓縮過(guò)程中腳部不易“失穩(wěn)”、“傾倒”,且底部粘貼效應(yīng)約束了密封墊底部的橫向變形,一定程度上增大了雙向受壓效應(yīng),使接觸面應(yīng)力、閉合壓縮力更大,防水更可靠,如圖9(a)所示;而不考慮粘貼劑作用時(shí),由于腳部在約束過(guò)程中容易“失穩(wěn)”、“傾倒”,且橫向約束作用較弱,使得接觸面應(yīng)力、閉合壓縮力更小,如圖9(b)所示。
圖7 密封墊底部粘貼效果對(duì)閉合壓縮力的影響
Fig. 7 Influence of sticking effect at bottom of gasket on closed compression force
圖8 密封墊底部粘貼效果對(duì)平均接觸應(yīng)力的影響
Fig. 8 Influence of sticking effect at bottom of gasket on average contact stress
(a) 底部粘貼狀態(tài)下張開(kāi)量為5 mm時(shí)的變形應(yīng)力狀態(tài)
(b) 底部未粘貼狀態(tài)下張開(kāi)量為5 mm時(shí)的變形應(yīng)力狀態(tài)
Fig. 9 Influence of sticking effect at bottom of gasket on gasket deformation
為研究密封墊頂部是否涂抹水性潤(rùn)滑劑的影響差別,選取3組具有單一變量的對(duì)比工況組(即A3與A5,A6與A8,A9與A11),計(jì)算得到的閉合壓縮力及平均接觸應(yīng)力如圖10和圖11所示。為考慮密封墊頂部潤(rùn)滑劑涂抹過(guò)量工況,另將A2組計(jì)算結(jié)果列出。
圖10 密封墊頂部涂抹潤(rùn)滑劑對(duì)閉合壓縮力的影響
Fig. 10 Influence of painting gasket top with lubricant on closed compression force
圖11 密封墊頂部涂抹潤(rùn)滑劑對(duì)平均接觸應(yīng)力的影響
Fig. 11 Influence of painting gasket top with lubricant on average contact stress
由圖10和圖11可知,密封墊頂部涂抹潤(rùn)滑劑能夠減小閉合壓縮力、增加接觸面平均接觸應(yīng)力,影響值范圍為4.7%~19.9%、6.5%~11.1%。同時(shí),由工況A2與A3的對(duì)比可知,潤(rùn)滑劑涂抹過(guò)量對(duì)閉合壓縮力及平均接觸應(yīng)力影響較小,主要原因在于本文設(shè)定的潤(rùn)滑劑涂抹過(guò)量工況考慮在密封墊前、后兩面,在密封墊壓縮過(guò)程中接觸面積小,因而影響較小。
密封墊施工過(guò)程中,由于保存不當(dāng)、不文明施工等情況,導(dǎo)致密封墊沾水,如: 雨中施工或仰拱塊浸在盾構(gòu)拱底水中,密封墊底部與槽口粘貼效果不佳,但密封墊頂部的水性潤(rùn)滑劑仍能發(fā)揮正常作用,即表1中A13所示工況。工況A13計(jì)算結(jié)果與正常施工工況A3的計(jì)算結(jié)果如圖12所示。
由圖12可知,表面沾水時(shí),密封墊閉合壓縮力由54.3 kN變?yōu)?8.5 kN,降低29.1%;接觸面平均接觸應(yīng)力由0.46 MPa降低至0.42 MPa,降低8.7%。
圖12 表面沾水對(duì)閉合壓縮力及平均接觸應(yīng)力的影響
Fig. 12 Effect of wet surface on closed compressive force and average contact stress
通常情況,密封墊粘貼于管片槽口、頂部涂抹潤(rùn)滑劑,隨管片拼裝就位后,迎水面直接與水接觸,背水面暫時(shí)處于干燥狀態(tài)(A3工況);隨著隧道長(zhǎng)期沉降、變形,密封墊在高應(yīng)力及水的緩慢滲透作用下,密封墊表面潤(rùn)滑劑逐漸消失(A5工況),密封墊表面可能受水浸潤(rùn)(A4),密封墊底部粘貼作用逐漸失效(A7、A10),內(nèi)部封閉孔洞受潮(A12),其表面工作狀態(tài)一直處于動(dòng)態(tài)變化中。因此,將上述密封墊表面工作狀態(tài)發(fā)展的各階段平均接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果列出,如圖13所示。
圖13 平均接觸應(yīng)力隨密封墊工作狀態(tài)發(fā)展的變化
Fig. 13 Development of average contact stress with working state of gasket
由圖13可知,在長(zhǎng)期工作情況下,由于密封墊表面接觸狀態(tài)的不斷變化,密封墊平均接觸應(yīng)力整體呈下降趨勢(shì),由初始的0.46 MPa下降至最終的0.35 MPa,下降約23.9%。值得說(shuō)明的是,由于管片一開(kāi)始已拼裝就位、密封墊開(kāi)始發(fā)揮防水作用,分析長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的閉合壓縮力意義不大,故本次未計(jì)算。
1)是否考慮密封墊表面工作狀態(tài)的閉合壓縮力、平均接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果差異分別為3.3%、23.9%,評(píng)價(jià)密封墊防水能力時(shí)應(yīng)考慮密封墊表面工作狀態(tài)。
2)由于粘貼效應(yīng)約束了密封墊底部的橫向變形,且腳部不易失穩(wěn)、傾倒,考慮密封墊底部粘貼效應(yīng)的閉合壓縮力及平均接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均大于不考慮底部粘貼效應(yīng)時(shí)的計(jì)算結(jié)果,影響值范圍分別為3.1%~19.9%、0~24.5%。密封墊頂部涂抹潤(rùn)滑劑能夠減小閉合壓縮力、增加接觸面平均接觸應(yīng)力,影響值范圍分別為4.7%~19.9%、6.5%~11.1%。表面沾水時(shí),密封墊閉合壓縮力降低29.1%;接觸面平均接觸應(yīng)力降低8.7%。
3)在長(zhǎng)期工作情況下,由于密封墊表面接觸狀態(tài)的變化,密封墊平均接觸應(yīng)力整體呈下降趨勢(shì),最終下降約23.9%。
4)本文僅從理論上分析了密封墊表面工作狀態(tài)對(duì)防水能力的影響,忽略了密封墊表面狀態(tài)所導(dǎo)致的施工質(zhì)量缺陷。如: 在實(shí)際工程中,若密封墊粘貼不牢或表面沾水,將導(dǎo)致密封墊脫落從而形成直接的滲水通道;封頂塊不涂潤(rùn)滑劑,將導(dǎo)致密封墊擠出、拉斷或堆疊,導(dǎo)致閉合壓縮力過(guò)大、防水失效等問(wèn)題。
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