CN107621538A - 一种测试隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力的试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力的试验方法，其通过制作隧道补偿收缩混凝土衬砌缩尺寸试验模型，并测试模型衬砌与围岩材料之间的接触压力，根据结构相似性原理推算实际隧道所受地层弹性抗力，解决隧道补偿收缩混凝土衬砌结构计算分析时地层抗力如何取值的问题，能够对定量化评估隧道补偿收缩混凝土衬砌结构抗裂性能以及限制围岩塑性变形和软岩的长期蠕变。因此，本发明试验方法适用于任何等级的地层和任何类型的山岭隧道中，不论是否带仰拱，不论隧道断面大小，制作简单，成本低廉，测试结果直观，推算精度高。

Description

一种测试隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力的试验 方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种测试隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力的试验方法。

背景技术

近几年来一方面是公路隧道大量新建，另一方面隧道的病害问题日益凸显，而病害问题尤其集中在裂缝、渗漏水等方面，已不仅关系到混凝土结构的外观，也严重影响到结构的安全性，甚至对国家的经济建设和可持续发展也构成了严重威胁。

隧道衬砌裂缝一方面是由于衬砌结构处于复杂的围岩地质体中，受到周围岩体变形压力、松动压力、周围不均匀力学性态、温度和收缩应力作用、膨胀围岩压力、冻涨压力、腐蚀性介质作用、运营车辆的循环荷载作用等，导致隧道混凝土衬砌结构产生裂缝和变形；另一方面也与隧道衬砌混凝土的原材料、环境、设计和施工质量等息息相关。

关于隧道衬砌裂缝的种类，按其产生原因可分为结构性裂缝及非结构性裂缝两类，具体如下：

(1)结构性裂缝：由外荷载(静、动荷载)直接应力引起的裂缝和次应力引起的裂缝，包括压裂性裂缝、拉裂性裂缝、剪切性裂缝。

(2)非结构性裂缝：由变形变化引起的裂缝，包括结构因收缩膨胀、温度湿度变化、不均匀沉陷、化学腐蚀和施工工艺等因素引起的裂缝。

据国内外调查资料表明，隧道结构产生的裂缝属于荷载引起的结构性裂缝约占20％；属于变形变化引起的非结构性裂缝则高达占80％左右，其中以收缩裂缝为主导。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种测试隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力的试验方法，其通过制作隧道补偿收缩混凝土衬砌缩尺寸试验模型，并测试模型衬砌与围岩材料之间的接触压力，根据结构相似性原理推算实际隧道所受地层弹性抗力，解决隧道补偿收缩混凝土衬砌结构计算分析时地层抗力如何取值的问题，能够对定量化评估隧道补偿收缩混凝土衬砌结构抗裂性能以及限制围岩塑性变形和软岩的长期蠕变。

一种测试隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力的试验方法，包括如下步骤：

(1)按照实际隧道的尺寸和预定比例制作隧道抗力区外围岩的模板，基于该模板采用普通混凝土浇筑外围岩；

(2)待外围岩强度达到设计要求后拆除模板，并沿抗力区外围岩内壁铺贴低密度PE板；

(3)沿所述PE板内轮廓埋设若干土压力传感器；

(4)按照实际隧道内轮廓尺寸和预定比例制作隧道衬砌的模板，基于该模板采用补偿收缩混凝土浇筑隧道的二次衬砌；

(5)利用所述土压力传感器测试不同混凝土龄期对应的土压力，并按照相似比推算出实际隧道衬砌所受地层的弹性抗力。

进一步地，所述步骤(1)中按1:10的预定比例制作隧道抗力区外围岩的模板，且模板边界与隧道衬砌边界的距离不小于25cm。

进一步地，所述步骤(1)中制作完模板后在其内侧涂刷脱模剂，便于脱模。

进一步地，所述步骤(2)中所选用PE板的弹性模量与厚度之商等于或接近实际外围岩的弹性抗力系数。

进一步地，所述步骤(2)中沿抗力区外围岩内壁采用木工胶辅助粘贴低密度PE板。

进一步地，所述步骤(3)中所埋设的土压力传感器位于隧道拱顶、拱腰、起拱线、小圆弧中部、仰拱底部等位置。

进一步地，所述步骤(4)中所采用的补偿收缩混凝土即为掺加有一定比例膨胀剂的普通混凝土，掺加比例在5％～15％之间。

进一步地，所述膨胀剂采用HCSA膨胀剂、HEA膨胀剂、CSA膨胀剂或UEA膨胀剂。

本发明试验方法以一定的比例浇筑隧道衬砌及围岩，衬砌采用一定掺量的补偿普通混凝土，补偿收缩混凝土能在硬化过程中产生微弱的膨胀，用以补偿普通混凝土的收缩，防止裂缝，同时提高围岩抗力、限制围岩的塑性变形和软岩的长期蠕变；围岩采用普通混凝土浇筑，在围岩与衬砌之间铺设低密度PE板模拟具有一定地层抗力系数的围岩；在衬砌与PE板之间埋设土压力盒，用频率仪测读频率后换算成弹性抗力值；最后根据模型相似比，推算成实际隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力。

本发明通过测试模型隧道二衬所受的抗力来推算实际隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力，解决隧道补偿收缩混凝土衬砌结构计算分析时地层抗力如何取值的问题，能够对定量化评估隧道补偿收缩混凝土衬砌结构抗裂性能以及限制围岩塑性变形和软岩的长期蠕变。因此，本发明试验方法适用于任何等级的地层和任何类型的山岭隧道中，不论是否带仰拱，不论隧道断面大小，制作简单，成本低廉，测试结果直观，推算精度高。

附图说明

图1为带仰拱的试验装置模型横断面示意图。

图2为不带仰拱的试验装置模型横断面示意图。

图中：1-隧道内净空；2-二次衬砌；3-低密度PE板；4-抗力区外围岩；5-土压力传感器。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明测试隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力的试验方法，包括如下步骤：

如图1所示，首先按照实际隧道的尺寸和预定比例(通常可采用1:10)制作隧道抗力区外围岩4的模板，模型边界与衬砌边界的距离D不小于25cm。模板内侧涂刷脱模剂便于脱模，用普通混凝土浇筑抗力区外围岩4，建议可以用C30混凝土，通常三天后可以拆除模板。

然后，选择与弹性抗力系数匹配的低密度PE板，所谓“匹配”就是低密度PE板的弹性模量与厚度之商接近实际围岩的弹性抗力系数；等抗力区外围岩4强度达到设计强度后，沿抗力区外围岩4内壁铺贴低密度PE板3，可以用木工胶辅助粘贴。

接着，沿低密度PE板3内轮廓埋设土压力传感器5，推荐采用精度高、稳定性好、薄而柔的单点薄膜土压力传感器，通常埋设在拱顶、拱腰、起拱线、小圆弧中部、仰拱底部等部位。

随后，按照实际隧道内轮廓尺寸和预定比例(通常可采用1:10)制作隧道衬砌模板，按照一定的配合比浇筑隧道二次衬砌2；二次衬砌2采用补偿收缩混凝土，即在混凝土中掺加一定比例的微膨胀剂，掺加比例通常在5～15％之间，膨胀剂可采用HCSA高性能混凝土膨胀剂、HEA膨胀剂、CSA硫铝酸钙膨胀剂或UEA膨胀剂等。

最后，可以测试不同龄期的土压力，并按照相似比推算出实际隧道所受地层弹性抗力(即实际所受地层弹性抗力为模型测得土压力与模型比例倒数的乘积，比如模型比例为1:10，那么实际所受地层弹性抗力即为模型测得土压力的10倍，依次类推)，用于解决隧道补偿收缩混凝土衬砌结构计算分析时地层抗力如何取值的问题，能够对定量化评估隧道补偿收缩混凝土衬砌结构抗裂性能以及限制围岩塑性变形和软岩的长期蠕变。

对于不带仰拱的情况如图2所示，区别仅在于土压力传感器5测点埋设上略有区别，相对于带仰拱的情况，少了小圆弧中部、仰拱底部的测点。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测试隧道补偿收缩混凝土衬砌所受地层弹性抗力的试验方法，包括如下步骤：

(1)按照实际隧道的尺寸和预定比例制作隧道抗力区外围岩的模板，基于该模板采用普通混凝土浇筑外围岩；

(2)待外围岩强度达到设计要求后拆除模板，并沿抗力区外围岩内壁铺贴低密度PE板；

(3)沿所述PE板内轮廓埋设若干土压力传感器；

(4)按照实际隧道内轮廓尺寸和预定比例制作隧道衬砌的模板，基于该模板采用补偿收缩混凝土浇筑隧道的二次衬砌；

(5)利用所述土压力传感器测试不同混凝土龄期对应的土压力，并按照相似比推算出实际隧道衬砌所受地层的弹性抗力。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述步骤(1)中按1:10的预定比例制作隧道抗力区外围岩的模板，且模板边界与隧道衬砌边界的距离不小于25cm。

3.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述步骤(1)中制作完模板后在其内侧涂刷脱模剂。

4.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述步骤(2)中所选用PE板的弹性模量与厚度之商等于或接近实际外围岩的弹性抗力系数。

5.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述步骤(2)中沿抗力区外围岩内壁采用木工胶辅助粘贴低密度PE板。

6.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述步骤(3)中所埋设的土压力传感器位于隧道拱顶、拱腰、起拱线、小圆弧中部、仰拱底部等位置。

7.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述步骤(4)中所采用的补偿收缩混凝土即为掺加有一定比例膨胀剂的普通混凝土，掺加比例在5％～15％之间。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：所述膨胀剂采用HCSA膨胀剂、HEA膨胀剂、CSA膨胀剂或UEA膨胀剂。