盾构法在开挖地下通道、地下基础设施隧道中已成为首选方法。这是因为盾构法具有绿色环保、安全、高效的优点。在盾构法施工中, 管片拼装花费大量时间并对总的施工周期有很大影响, 因此管片施工占据了整个施工费用很大比例, 与此同时随着管片厚度与埋深的增大, 施工费用也会大幅度上升。

越来越多的盾构隧道具有埋深大、超长、超大截面的特点。正因如此, 在管片上的水土压力和施工荷载也随之增大。内力越大就越容易产生应力集中。为了保证盾构隧道结构的安全性与使用寿命, 衬砌管片就需要高性能——强度大、刚度高、延性好和耐久性好。

现在通用管片包括钢管片、钢筋混凝土管片和球墨铸铁管片。这些管片在经济、生产、组装和运输方面都有缺陷, 从而不能广泛地用于盾构隧道^[1]。因此用栓钉固定、镶钢筋混凝土边的复合管片应运而生。钢管片造价高是因为四周加工工艺要求高, 而钢管片四周镶上钢筋混凝土, 不仅使得加工工艺变得简单高效, 而且费用也降低不少。

这种管片有以下优点:制造精度高、厚度小、承压能力强、刚度高、延性以及防水性能好。但是这种复合管片由于复杂的结构和结合处使用不同材料, 导致钢混结合面抗剪性能不是很明了。而其抗剪性能将直接影响整体的受力性能。文献[2,3,4]指出管片衬砌的安全性、经济性和优化程度是基于管片的力学性能提出的。除了费用和施工的因素, 它的力学性能还影响这种复合管片能否被广泛应用。

由于这种新型的复合管片是第1次提出, 其力学性能还不明确, 所以通过试验进行研究是一个直观而有效的方法, 确定这种复杂复合管片力学性能有利于今后推广。关于研究传统管片性能的试验已有很多, 包括原型试验^[5,6,7]和模型试验^[8,9], 但这种新型管片国内外很少有学者研究, 本文将对其结合面处抗剪性能进行试验研究。

本类管片应用于某地铁建设中, 错缝拼装环管片, 全环由6块管片组成, 管片厚度为350mm, 每块管片均用120mm厚的钢筋混凝土镶边, 混凝土等级C50。本次试验主要取整块管片上的一小块来做原型试验, 试验构件长1 000mm, 钢管片宽400mm, 混凝土宽120mm, 高350mm, 分析混凝土镶边钢管片的钢混结合面抗剪性能。试验构造如图1所示。

本试验采用混凝土厚度120mm的试块, 采用原尺寸, 环向方向仅取管片的一段, 针对该试验进行钢混结合面剪切。栓钉的屈服强度f_y=278MPa, 共2排12枚, 直径16mm, 箍筋为ϕ10@140, 160, 200, 顶部纵筋采用直径为20mm的HRB400钢筋, 详细布置如图2所示。

该试验在上海盾构工程技术研究中心完成。主要试验装置包括现有加载反力架, 框架总长8.5m, 宽3.5m, 高1m, 内径长6.9m, 宽2.1m。其两边内侧设有多排凹凸卡槽, 卡槽上钻有螺栓孔, 用于安装固定加载油缸或其余反力支座, 并能灵活调整其安装位置。当试验荷载较大时, 两侧可加设多组对拉夹紧装置, 增加试验框架刚度, 减小变形, 每组对拉装置由4根拉杆和2块夹紧梁组成。采用4个水平张拉千斤顶, 每个千斤顶可以提供最大顶力1 000kN, 2个千斤顶提供水平力固定, 另外2个提供剪力P。

试验先进行预加载, 之后采用分级加载, 根据常规管片的试验设计抗剪承载力, 每延米250kN, 本次试验管片钢混结合面处抗剪承载力设计值为375kN, 试验采用抗剪极限承载力为1.5倍设计承载力, 为562.5kN。试验加载时分等级进行荷载施加, 每级增加荷载为设计荷载的1/10, 即37.5kN, 共分10级施加至设计工况, 观察镶边混凝土剪切破坏情况。并以此为基础, 继续施加荷载直至破坏, 至抗剪栓钉或受拉主筋达到屈服强度, 试件不能继续承载时结束加载。

试验过程中量测的内容包括:结合面处错台、千斤顶油压监测, 同时观测各级荷载下管片表面裂缝的发展情况。试验主要监测钢混接触面处的位移, 采用位移传感器进行测量, 接触面上部和中部各安装1个位移传感器, 精度0.01mm, 当钢混结合面发生错动时, 位移计可实时记录错动量。测点布置如图3所示。上述测点的量测范围、精度与数量汇总如表1所示。

试验受载后首先出现弯曲裂纹。当荷载达到380kN后, 试样出现斜裂纹。随着荷载的增加, 斜裂纹的数量也增加并扩展;随后箍筋进入屈服值, 此时位移增加速度明显加快, 并形成1～2条宽度达到2mm以上的斜裂纹;最后随着混凝土被拉脱, 试样的承载力急剧下降, 试样破坏。

正常使用工况下钢混结合面剪力-位移曲线如图4所示。在正常使用工况下, 钢混结合面剪切位移先随剪力的增长呈线性发展趋势, 当剪力达到424kN, 位移达到0.05mm时, 钢混结合面进入强化阶段, 直至结合面位移达到0.2mm, 但其承载力还在增加。

极限承载力工况下钢混结合面剪力-位移曲线如图5所示。第1阶段, 当剪力为0～380kN, 钢混结合面位移变化较慢, 混凝土内箍筋以及抗剪栓钉几乎没有变化;第2阶段, 当剪力为380～450kN, 钢混结合面进入塑性阶段, 剪力增加不明显的情况下位移增大明显;第3阶段, 当剪力为450～1 100kN, 剪力与结合面位移呈线性增长趋势, 且结合面位移迅速发展, 标志为混凝土表面突然出现一条较长的剪切裂缝。

通过以上极限工况的分析可知, 钢混结合面抗剪整体呈3个阶段变化。

剪力较小时, 混凝土与钢面之间的摩擦力与弹性阶段的抗剪栓钉共同起作用, 此时抗剪栓钉并没有进入塑性阶段, 此阶段是钢混结合面抗剪主要的承载阶段。

当剪力逐渐增大, 混凝土侧面开始出现剪切裂缝, 角度与水平面呈45°;随着剪力增大, 剪切裂缝会从最开始出现的位置开始向另一方向延伸, 混凝土整体位移速度加快。此阶段摩擦力逐渐减小, 抗剪栓钉的承载力逐渐增大。

当剪力达到一定程度时, 混凝土侧面裂缝急剧增大, 混凝土开始脱离钢面, 剪力开始全部由抗剪栓钉承担, 直至失去承载力。

由此可见, 钢混结合面抗剪的主体是结合面处的混凝土咬合力和抗剪栓钉, 在抗剪试验中, 出现拐点往往是因为咬合力减小或者栓钉屈服。第1阶段为钢混结合面抗剪的主要阶段, 而咬合力是影响第1阶段的薄弱环节, 故应提高钢混结合面的咬合力。

在正常使用情况下, 初期钢混结合面增长较慢, 也较稳定, 取试验数据进行拟合, 得到剪力与位移表达式:

$F=\{\begin{array}{c}12.532\times 10{}^{6}x,x\in (0,0.03)\hfill \\ \begin{array}{c}10{}^5\times (1.1249x{}^3-0.3911x{}^2+\hfill \\ 0.0432x+0.0029),x\in (0.03,0.2)\hfill \end{array}\hfill \\ 10{}^3\times (1.2738x+0.1883),x\in (0.2,0.72)\hfill \end{array}(1)$

式中:x为位移 (mm) ;F为剪力 (kN) 。同时其抗剪刚度与位移的关系表达式:

${\rm K}=\{\begin{array}{c}12.532\times 10{}^6,x\in (0,0.03)\hfill \\ \begin{array}{c}10{}^5\times (3.3747x{}^2-\hfill \\ 0.7822x+0.0432),x\in (0.03,0.2)\hfill \end{array}\hfill \\ 1.2738\times 10{}^3,x\in (0.2,0.72)\hfill \end{array}(2)$

式中:K为钢混结合面的抗剪刚度 (kN/mm) 。

从抗剪刚度与位移的公式可以看出, 位移在变化过程中, 抗剪刚度有2次突变, 分别在第1阶段末和第2阶段末。究其原因, 第1阶段末钢混结合面处部分混凝土突然脱离钢面, 导致抗剪刚度急剧下降;第2阶段由于更多的混凝土还在继续脱离, 所以在第2阶段末抗剪栓钉突然承受所有混凝土所承担的剪力, 导致抗剪刚度突变。

取与试验试件的剪切面相同面积的混凝土管片本体进行分析。弹性模量E取C50混凝土的弹性模量, 为3.45×10⁴MPa;剪切模量G通过弹性模量进行计算得到:

$G=\frac{E}{2(1+\mu )}=1.48\times 10{}^4\text{Μ}\text{Ρ}\text{a}(3)$

A为钢混结合面的面积, 为0.35m², 剪切长度L取0.02m。故理论上全截面的剪切刚度为:

$\frac{GA}{L}=2.59\times 10{}^9\text{k}\text{Ν}/\text{m}(4)$

计算结果表明:混凝土全截面的剪切刚度约为钢混结合面处第1阶段刚度的1/5, 主要原因是抗剪栓钉具有强大的抗剪刚度, 这也表明这种钢混结合面的抗剪能力具有很大优势。

1) 钢混结合面位移发展大致分为3个阶段, 第1阶段为结合面处混凝土咬合力和抗剪栓钉共同起抗剪作用;第2阶段剪切裂缝出现, 咬合力减小的速度和抗剪栓钉承受增加的剪力速度几乎相同, 咬合力逐渐退出工作, 抗剪栓钉逐渐成为主要承力构件, 同时裂缝延伸速度加快;第3阶段剪切裂缝贯通且钢混结合面相对位移超过0.2mm, 抗剪栓钉承担全部的剪切力, 结构位移迅速变大, 直至构件完全破坏。第1阶段为钢混结合面抗剪的主要阶段, 而咬合力是影响第1阶段的薄弱环节, 故应提高钢混结合面的咬合力。

2) 钢混结合面的屈服剪力为380kN, 极限抗剪承载力为450kN, 大于设计荷载375kN, 意味着该试验的钢混结合面可满足抗剪设计要求。

3) 试验得到极限工况中钢混结合面最薄弱的阶段也就是第2阶段的抗剪刚度, 因为第2阶段的抗剪刚度与混凝土脱离钢面的情况有巨大联系, 存在很大的不确定性。而第1阶段的抗剪刚度最大为12.532×10⁶kN/mm, 第2阶段与相对位移有关, 第3阶段抗剪刚度基本不变, 维持在1.273 8×10³kN/mm。

4) 抗剪刚度主要受混凝土咬合力和抗剪栓钉的剪切变形作用影响, 轴力基本没有考虑, 而轴力对环缝抗剪能力的作用较为明显^[10], 限于试验数组, 更为具体的关系将通过后续试验获得。