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，對隧洞的設計施工提出了較高的要求。在工程建成之后的應用階段，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)的現澆混凝土剛性結構，很難應對斷層活化所造成的大變形影響[4]。為了解決上述問題，結合工程的實際情況，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構，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，以便為工程設計和建設提供必要的技術支持。

2 試驗設計

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生成的一種彈性體物質，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地的自來水。

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《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)等工程技術規(guī)范中的相關要求，在進行中心拔出試驗過程中錨固長度不應小于鋼筋直徑的5倍。結合本次試驗的要求和相關研究成果，試驗中設置鋼筋直徑的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數據。為了測量試驗過程中的應變數據，需要在試件的表面用電烙鐵粘貼應變片[5]。根據上述混凝土結構試驗標準，在進行鋼筋拔出試驗過程中試件的邊長應該大于鋼筋直徑的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，并在其內表面均勻涂刷一層脫模劑，然后將經過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，然后將其轉移到標準養(yǎng)護室內養(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，其結構示意圖如圖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。夾具由上下底板以及4根鋼輥組成，鋼輥的上端和下端設置有刨絲，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，加載后做好數據記錄并穩(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，并將其試驗數據均值作為最終試驗結果[6]。

圖1 試驗裝置示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現象

對不同錨固長度的三組試樣進行試驗，結果顯示錨固長度為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雜。其中，混凝土的表層存在開裂破壞現象，中部的SPUA材料彈性體與混凝土之間膠結完整而鋼筋與SPUA材料彈性體的膠結面產生破壞；底部的鋼筋與SPUA材料彈性體的膠結面完好而SPUA材料彈性體與混凝土之間膠結面破壞。

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。根據上述試驗數據，繪制出試樣的滑移量與拉拔荷載之間的變化規(guī)律，結果如圖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比較明顯的相對滑動，期間產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十分顯著的滑動，試樣開始破壞，因此曲線呈現出不斷下降的特征。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面失效，因此拉拔荷載的增速相對較緩慢，但一直呈現出上升的態(tài)勢，直至混凝土表面出現開裂破壞停止，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，結果如表1所示。由表中的計算結果可知，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，在試驗結束之后，SPUA材料彈性體的長度又慢慢恢復到了原來的長度，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果 mm

4 結 論

此次研究通過室內試驗的方式，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)綜合上述研究結果，在工程應用層面，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。