李 鈺

(河南省水利第二工程局， 鄭州 450046)

0 引 言

隨著水利水電工程建設(shè)的不斷推進和發(fā)展，水工隧洞建設(shè)工程量不斷加大。在水工隧洞建設(shè)施工中，由于受到水壓的不確定和非恒穩(wěn)性因素的影響，導(dǎo)致水工隧洞的抗拉和抗壓性能不好，水工隧洞襯砌混凝土容易產(chǎn)生裂縫。應(yīng)建立水工隧洞襯砌混凝土裂縫的控制模型，結(jié)合溫度控制和壓力控制的方法，進行水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂設(shè)計，提高水工隧洞襯砌混凝土的可靠性和穩(wěn)定性，從而提高水工隧洞的施工質(zhì)量水平。因此，研究水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂技術(shù)，在工程施工中具有重要意義[1]。

在水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂施工中，由于襯砌初次開裂的特點是裂縫間距較大，裂縫寬度正比于裂縫間距，之前對裂縫的計算多采用經(jīng)驗計算法的方法，在柔度、抗外壓能力、安全性和維護修補壽命周期測算中都具有較大的隨機性[2]。文獻[3]中設(shè)計預(yù)應(yīng)力鋁合金筋嵌入式補強鋼筋混凝土梁裂縫分析與計算方法，通過預(yù)應(yīng)力以及預(yù)應(yīng)力水平測量，對嵌入式補強混凝土梁試件破壞模式，通過預(yù)應(yīng)力計算裂縫寬度，提高預(yù)應(yīng)力水平，降低裂縫擴展，但該方法受到最大裂縫寬度的影響。文獻[4]中提出確定壓力隧洞混凝土襯砌初裂間距的鋼筋混凝土曲梁法，考慮配筋量、襯砌曲率、內(nèi)水壓力、圍巖的法向因素影響，結(jié)合鋼筋混凝土曲梁分析，進行水工隧洞襯砌混凝土防裂設(shè)計，該方法在幾個工程的現(xiàn)場試驗中取得了明顯效果，但受到內(nèi)水壓力不穩(wěn)定性影響較大。對此，本文設(shè)計一種改進的水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂技術(shù)，首先基于水工隧洞襯砌混凝土裂縫的開裂位置以及開裂寬度估計，采用預(yù)應(yīng)力檢測方法，建立水工隧洞襯砌混凝土溫控裂紋估計模型；然后進行施工進度、溫度應(yīng)力、地質(zhì)條件、混凝土性能多維參數(shù)分析，結(jié)合實驗分析，實現(xiàn)水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂性能測試。

1 水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)模擬

1.1 水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布結(jié)構(gòu)模型

基于水平荷載和位移參數(shù)分析，建立水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂的控制參數(shù)模型，通過試件的滯回應(yīng)力特征分析，進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布結(jié)構(gòu)模型設(shè)計。通過分析水工隧洞襯砌混凝土裂縫基坑的空間部分應(yīng)力響應(yīng)，采用數(shù)據(jù)監(jiān)測和參數(shù)估計，分析在裂縫狀態(tài)下止水結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、止水效果；根據(jù)土力學(xué)及滲流力學(xué)[5]，在水工隧洞襯砌混凝土裂縫尺寸的2～5倍大小作為計算范圍，根據(jù)裂縫的沉降監(jiān)測對比，分析各監(jiān)測點的水工隧洞襯砌混凝土裂縫寬度；根據(jù)土顆粒骨架和孔隙水二者之間的預(yù)應(yīng)力參數(shù)，基于結(jié)構(gòu)的損傷分析，建立水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布結(jié)構(gòu)模型；基于水工隧洞襯砌混凝土裂縫的開裂位置以及開裂寬度估計，采用預(yù)應(yīng)力檢測方法，進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫的載荷檢測；通過斷裂參數(shù)和斷裂能估計，在非彈性應(yīng)變估計模式下，進行試件的材料結(jié)構(gòu)性能參數(shù)估計，得到連接件與混凝土界面數(shù)據(jù)，由此進行混凝土抗裂的抗拉強度估計，在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型中，采用實現(xiàn)混凝土溫控防裂?？傮w結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂的總體結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)圖1的總體結(jié)構(gòu)模型，采用在彈性段極限壓(拉)測試的方法，考慮材料非線性和鋼板初始缺陷，基于擬靜力試驗研究，得到水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布的曲線為：

(1)

式中：k為無黏性土環(huán)境下水工隧洞襯砌混凝土-鋼板屈曲應(yīng)力；i為滯回阻尼系數(shù)；i0為應(yīng)力屈服的閾值。

由此得到抗剪性能曲線，見圖2。

圖2 水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂的抗剪性能分布關(guān)系曲線

根據(jù)圖2，結(jié)合板屈曲分析以及構(gòu)件極限狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)分析，進行水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂參數(shù)模擬和優(yōu)化設(shè)置[6]。

1.2 水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂參數(shù)模擬

在外荷載作用下，建立本構(gòu)模型。水工隧洞襯砌混凝土面的高度和截面邊長分別為2 300和540 mm，保護層厚度為25 mm。在試件A2承臺上方500～1 000 mm 高度范圍進行電化學(xué)測試，進行溫度控制；采用能量耗散的 Park-Ang 雙參數(shù)損傷模型，進行水工隧洞襯砌混凝土溫控設(shè)計[7]。試件模型見圖3。

圖3 試件模型

考慮圖3的時間結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)抗拉強度對水工隧洞襯砌混凝土的脆性破壞特性進行量化分析，建立隧洞墩柱損傷進程的雙參數(shù)損傷模型，公式為：

(2)

其中：n為連接試件頂端的土地基的孔隙率；Vporosity為溫控電流密度限值；Vparticle為鋼筋預(yù)期質(zhì)量損失。

根據(jù)上述數(shù)值分析公式，進行水平雙向荷載和豎向荷載分析。

2 水工隧洞溫控防裂參數(shù)優(yōu)化計算

在上述建立的水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂參數(shù)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)施工進度、溫度應(yīng)力、地質(zhì)條件、混凝土性能多維參數(shù)分布，基于受壓薄膜效應(yīng)的荷載-撓度分析[8]，得到鋼筋混凝土板壓的動態(tài)應(yīng)力特征分布矩陣為：

s(x)=[N(x),M(x)]T

(3)

式中：N(x)為地外力載荷在X和Y方向上的分量；M(x)為峰值荷載。

在豎直向上分量不斷提高的情況下，得到水工隧洞襯砌混凝土的鋼筋屈服強度為：

(4)

其中：ΔVt為彈性比例應(yīng)變限值；Vt1為栓釘截面積；Vu1為極限剪力。

建立水工隧洞襯砌混凝土的下降段形狀控制曲線，見圖4。

圖4 水工隧洞襯砌混凝土的下降段形狀控制曲線

根據(jù)圖4水工隧洞襯砌混凝土的控制曲線分布，考慮混凝土的受拉作用，在混凝土強度偏高的情況下，進行水工隧洞襯砌混凝土的裂縫谷值承載分析，得到谷值承載位移為：

di=dei+dpti

(5)

其中：dei為水工隧洞襯砌混凝土的局部峰值荷載；dpti為彈性段的載荷性能參數(shù)。

水工隧洞溫控防裂穩(wěn)定性檢測的過程分量為：

(6)

其中：dei為屈服響應(yīng)與控制力矩的聯(lián)合參數(shù)。

水平剪力強度為：

(7)

綜上分析，根據(jù)施工進度、溫度應(yīng)力、地質(zhì)條件、混凝土性能多維參數(shù)分析，實現(xiàn)水工隧洞襯砌混凝土的裂縫寬度和間距聯(lián)合估計，實現(xiàn)混凝土溫控防裂設(shè)計。

3 實驗測試

3.1 實驗概況

實驗測試中，X方向位移幅值采用5、10和15 mm，水工隧洞襯砌混凝土裂縫分布的直徑為110 mm，采用HRB335級鋼筋作為試件保護層，錨孔實驗加載方式見圖5。

圖5 實驗加載方式

根據(jù)圖5的實驗加載方式，在DSW-1 試件內(nèi)部提取水工隧洞的特征值屈曲響應(yīng)，在鋼板荷載增加至500 kN時進行防裂有限元結(jié)構(gòu)模型。有限元分布模型見圖6。

圖6 有限元結(jié)構(gòu)模型

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

在上述實驗試件和對象分析基礎(chǔ)上，采用ABAQUS/Explicit進行數(shù)據(jù)分析，得到水工隧洞襯砌混凝土的裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)估計值，見表1。

表1 水工隧洞襯砌混凝土的裂縫結(jié)構(gòu)參數(shù)估計值

根據(jù)上述參數(shù)解析結(jié)果，進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫估計，得到測試結(jié)果,見圖7。

圖7 水工隧洞襯砌混凝土裂縫估計結(jié)果(單位：m)

分析上述測試結(jié)果可知，本文方法能準確確定初裂間距，水工隧洞襯砌裂縫寬度計算結(jié)果準確，計算負載較低，提高了抗裂性能。

4 結(jié) 語

結(jié)合溫度控制和壓力控制的方法，進行水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂設(shè)計，可提高水工隧洞襯砌混凝土的可靠性和穩(wěn)定性。本文設(shè)計了一種改進的水工隧洞襯砌混凝土溫控防裂技術(shù)，通過斷裂參數(shù)和斷裂能估計，在非彈性應(yīng)變估計模式下，進行試件的材料結(jié)構(gòu)性能參數(shù)估計。結(jié)果表明，采用本文方法進行水工隧洞襯砌混凝土裂縫估計的精度較高，提高了抗裂性能。