钢管冻土组合结构梁变形过程实验研究★

李文勇 杨洪杰 吴嘉琪

(上海轨道交通十八号线发展有限公司，上海 200000)

在富含水地层中进行地铁建设时，常用人工冻结法来改良地层，提高土体强度并隔绝地下水，为构筑施工提供围护作用。施工中形成冻土的抗拉强度约为同温度下抗压强度的1/5～1/2，为了改善冻土结构的抗拉性能，常在冻土中添加钢管而形成钢管冻土复合结构，提高冻土的承载能力[1]。根据钢管的直径、间距及在冻土中位置，钢管冻土复合结构又细分为管棚冻土结构、管幕冻土结构和钢管冻土组合结构等，其中管棚冻土结构的钢管位于冻土结构上边缘，钢管直径小于其布置间距，钢管为主要承载结构；管幕冻土结构中的钢管直径大于布置间距，常用顶管方法将大直径钢管顶入地层，而且钢管间距小，形成冻土体积远小于钢管，冻土主要作用是封水。而在钢管冻土组合结构中，钢管一般布置在冻土的下边缘，钢管直径较小且间隔较远，形成冻土的体积远大于钢管体积，冻土与钢管协同变形，共同发挥承载作用[2]。

国内外学者围绕管棚冻土结构的力学性能开展了较多研究，研究结果表明加入钢管之后冻土复合结构的抗弯承载力比未加钢管前有较大提高，其承载能力和钢管与冻土界面的粘结力大小有关。在砂性冻土与钢管复合结构的实验研究中发现钢管冻土复合结构达到极限状态时承载力比钢管单体要高，而且钢管冻土复合结构的承载力比纯冻土梁和纯钢管梁的承载能力相比都大幅度提高，刚度也得到加强，在相同承载力条件下，采用管棚冻土复合结构可以降低冻结土方量，节约制冷费用[3]。而对于管幕冻土结构来说，受到冻结管直径大的影响，冻土跟随钢管变形能力明显与温度有关，一般认为当冻土帷幕平均温度控制在-10 ℃～-15 ℃范围内时，可保证钢管冻土复合结构变形协调，可明显提高组合结构的承载力[4]。

已有研究多是以管幕冻土或者是管棚冻土的复合结构为研究对象，对于直径较小钢管与冻土的组合结构来说，相关的研究鲜有报道，特别是在组合结构变形过程中钢管和冻土的协调变形方面开展的研究较少。本文以上海地铁18号线江浦路段钢管冻土施工工程为研究背景，通过室内模型实验研究钢管冻土组合结构的力学性能，分析结构在承载过程中的变形规律，供工程应用时参考。

1 实验方案

1.1 实验设计

实验利用自行设计加工的试验台，进行单根钢管冻土组合结构梁的实验，梁的断面尺寸(长×宽×高)1 400 mm×150 mm×200 mm，在距梁底部25 mm位置布置1根φ34 mm×2 mm钢管。采用在现场取土运回实验室，按照原来的含水量重塑后进行实验，重塑土进行分层填筑和夯实，保证梁构件密度的均匀，在填土过程中将钢管及传感器等埋在相应设计位置。加工好的试件在-20 ℃下冷冻72 h后拆除模板，并在-12 ℃下恒温48 h后开始实验，以保证试件梁内部温度的均匀性。将加工好的试件梁放置在平台上滚动铰支座与固定铰支座之间，通过上部横梁上的液压千斤顶进行加载，荷载测量采用荷重传感器，连接显示控制器直接显示荷载值。

1.2 测点布置

温度测点布置在梁的跨中截面中心以及底部，来测试试件的温度，钢管应变测点布置在钢管两侧。沿试件高度方向选择5个截面布设光纤，进行冻土内部应变的测试，而试件梁的竖向位移采用位移计进行采集，分别布置在梁跨中和荷载施加点，测点具体布置如图1所示。

1.3 实验过程

参照GB/T 50152—2012混凝土结构试验方法标准进行实验，正式开始前先进行预加载，以检验所有传感器是否正常工作。钢管冻土组合结构梁预加载值设为4 kN，检查所有仪器都能正常工作后正式进行加载。实验采用力和位移分级控制加载，在构件达到极限荷载之前，每级荷载为估算极限荷载的10%，观察时间为2 min。构件达到极限承载力之后，采用位移控制加载，每级位移3 mm，持续时间2 min，直至试验梁破坏为止结束试验。

2 实验结果及分析

2.1 实验过程中梁的破坏过程描述

在实验过程中，随着荷载的增加，钢管冻土组合结构梁的位移成近线性增长，初始加载阶段的结构梁基本处于弹性变形阶段。当荷载达到16 kN时，梁跨中位置底部开始出现裂纹，随着荷载的增加，裂纹扩展不明显，其主要原因是钢管的存在承担了增加的荷载，而冻土承担的荷载增加较小，所以冻土应变增加较慢，梁底部裂纹基本未表现出扩展。当荷载增加到24 kN时，靠近加载位置的梁底部位置开始出现裂纹，其扩展形态与跨中位置的裂纹基本相同。当施加的荷载超过30 kN后，随着荷载增加，梁底部位移增加较快，当荷载达到38.9 kN时，梁跨中位置裂纹突然贯通，紧接着两侧加载位置裂纹也扩展至梁顶部，而荷载值降至23 kN，此时可认为钢管冻土组合结构梁发生破坏。为了测试组合梁的承载能力，通过千斤顶继续增加荷载值，梁顶部的荷载传感器测定值不再变化，维持在23 kN左右，但梁位移随着加载而继续增加。实验结束时组合梁的裂纹分布如图2所示。

从钢管冻土组合结构梁的变形过程可以看出，在加载初始阶段，较小的荷载引起梁的变形也相对较小，钢管和冻土协同发挥承载作用，梁的整体位移与荷载近似成线性关系。随着荷载增加，梁跨中位置先出现裂纹，但此时钢管会发挥主要承载作用，冻土变形增加较小，梁跨中位置的裂纹扩展不明显。当梁发生破坏时，钢管冻土组合结构仍然能起到一定承载作用，与冻土结构的脆性破坏模式差别较大，说明钢管的添加不仅可以提高组合结构的承载力，而且可以有效增加组合结构的延性，在结构破坏后仍能发挥部分承载性能，这对于工程施工中应对冻土结构破坏的风险的意义重大。

2.2 跨中截面应变分布研究

为了研究钢管冻土组合结构梁在加载过程中的变形过程，选取跨中位置截面上的纵向应变进行分析。其中，P为实测荷载，Pmax为实测极限荷载，不同荷载条件下跨中截面的纵向应变的变化曲线如图3所示，图3中正值代表拉应变，负值表示压应变，截面高度为距底部的距离。

从图3可以看出，在同一荷载作用下，钢管冻土组合结构梁的纵向应变值沿截面高度近似成线性分布，组合梁上部截面受压，而下部截面受拉，这说明在整个横截面的应变分布基本符合平截面假定。随着荷载增加，截面上不同位置处的纵向应变都相应增大，远离中间截面位置的应变增加更明显，所以在梁的上端表现为最大压应变，下端为最大拉应变。随着荷载的增加，钢管的承载作用逐步得到加强，截面的中性轴随着荷载的增加而开始上移，特别是在裂纹出现后，拉应变主要由钢管承担，所以中性轴上升更明显。

2.3 钢管与冻土共同工作性能分析

为了进一步考察冻土与钢管的共同工作性能，对钢管表面应变与钢管位置的冻土应变进行比较分析。实验过程中，钢管和冻土的应变变化过程如图4所示。

从图4中可以看出，荷载在5 kN以下时钢管和冻土的变形协调一致，两者的应变值相同，钢管和冻土共同承受外部荷载；随着荷载增加，冻土应变快速增加，而钢管应变增长相对较缓慢，二者之间差别说明冻土和钢管开始出现滑移，且二者应变差值随荷载增加而越来越大。荷载超过16 kN后，冻土应变的增加速率明显变大，表现为曲线的斜率变化大，说明此时冻土内部出现裂纹，此时冻土承担的相应荷载转移到钢管上，也造成钢管应变的增加。所以，当钢管冻土组合结构梁承受荷载超过5 kN后，跨中位置处冻土与钢管出现滑动分离，但仍能各自发挥承载作用；荷载超过16 kN后冻土出现裂缝而造成应变急剧增加，此时钢管继续发挥主要承载作用，这是钢管冻土组合结构的承载能力远高于冻土结构的直接原因。

3 结语

通过对钢管冻土组合结构梁力学性能的实验研究，得到以下结论：

1)钢管冻土组合结构梁在加载过程中跨中底部位置先行开裂，破坏时在加载位置和跨中形成三道贯通裂纹。

2)加载过程中钢管冻土组合结构梁横截面上的应变分布仍符合平截面假定，中性轴会随着荷载增加而上移。

3)钢管冻土组合结构梁的钢管与冻土出现滑动分离后，仍能承担部分荷载，这是钢管冻土组合结构的承载能力远高于冻土结构的直接原因。