不同防水膜界面参数对喷膜防水衬砌结构力学性能的影响研究

何 斌, 蒋雅君, 赵菊梅, 刘基泰, 裴虎强

(西南交通大学 土木工程学院, 成都 610031)

目前隧道渗漏水仍是一个难以根治的问题,这给隧道后续的养护维修带来很大困难[1-2]。为了克服或减少隧道存在的防水问题,提高隧道的防水能力,一种新型的喷膜防水技术近年来快速发展[3-5]。该技术采用喷膜防水材料聚合形成的致密防水层来代替防水板,从而使防水层与2层衬砌结构共同构成整体结构,在国际上被称为CSL结构(Composite Shell Lining)[6-8]。由于其具有良好的防水性能和协同受力特性,已在众多国家的隧道中得到应用[9-12]。

迄今为止,对CSL结构的研究主要集中在界面的力学性能、CSL梁构件的复合作用程度及CSL结构的力学特性方面[13-16]。另外,适宜喷涂防水材料的种类越来越多,其物理力学特性也逐渐受到较多的关注。Su Jiang等[17]按防水材料的成分将其分成了乙烯醋酸乙烯酯(EVA)水基、甲基丙烯酸酯反应树脂基及丁苯橡胶(SBR)聚合物基3类,并调研了每种防水膜的特性。Ulrike Pelz等[18]总结归纳了各种喷涂防水膜的材料特性,结果表明各种防水膜产品在反应和固化速率、对水分的敏感性、吸水性及膨胀性等方面存在很大差异。以上研究总结和归纳了部分喷涂防水材料的特性,但不同喷涂防水膜的界面参数对喷膜防水衬砌结构力学性能方面产生的影响尚未开展系统研究。

为此,基于国内外地下工程中常用的喷涂防水材料调研,本文建立了隧道喷膜防水衬砌结构数值计算模型,分析了不同防水膜的界面参数对衬砌结构力学性能的影响,以供隧道喷膜防水衬砌结构的应用和推广参考。

1 防水膜计算界面参数拟定

在对国内外地下工程中常用喷涂防水材料及其相关性能参数调研的基础上,根据粘结强度进行分类,并确定每类防水膜的计算界面参数。

1.1 喷涂防水材料及其参数调研

调研所得到的国内外地下工程中常用的喷涂防水材料及其物理力学性能指标如表1和表2所示。表1、表2中所统计的粘结强度都是指防水材料与干燥基面的粘结强度。

表1 国内常用防水涂料及其物理力学性能指标

表2 国外常用防水涂料及其物理力学性能指标

1.2 防水膜界面参数调研

目前国内外学者对上述部分防水膜的界面参数通过试验进行了测试,何雨帝[19]对含有聚合物水泥防水涂层的CSL混凝土试块进行粘结拉伸和剪切试验,得到3 mm厚防水膜的界面参数,如表3所示。根据上述测试方法,笔者对北京东方雨虹防水技术股份有限公司提供的隧道工程聚合物喷膜防水材料也进行了测试,计算得到如表4所示的界面参数[5]。

表3 聚合物水泥防水涂料界面参数

表4 东方雨虹新型防水涂料界面参数

此外,国外部分学者也对隧道喷膜防水材料的相关参数进行了测试。Su Jiang等[20]通过CSL混凝土试块的拉伸和剪切试验得到该防水膜的界面法向刚度Kn=4 MPa/mm,切向刚度Ks=2 MPa/mm;Holter等[6]使用EVA共聚物与一定量的水泥粉料配置形成新型EVA防水涂料,对2种不同聚合物含量的防水膜进行了研究,其界面参数如表5所示。

表5 挪威学者所用防水膜界面参数

上述调研发现,防水材料种类繁多,防水膜界面参数各异。单从数值上来看:防水膜的粘结刚度约为粘结强度的1.5倍,剪切强度约为粘结强度的0.5倍～0.7倍,剪切刚度约为剪切强度的0.5倍;而各类防水膜的粘结破坏能和剪切滑移能的数值文献中能查到的不多,其规律暂不明确。

1.3 防水膜界面参数分类

根据工程实践经验,可按照粘结强度(fbond)将调研的喷涂防水材料(表1及表2)分为4种类型:Ⅰ型(0.2 MPa≤fbond<0.5 MPa);Ⅱ型(0.5 MPa≤fbond<1 MPa);Ⅲ型(1 MPa≤fbond<1.5 MPa);Ⅳ型(fbond>1.5 MPa)。由于目前尚未有明确的划分标准,因此本文根据界面参数之间存在的内在关系,拟定了每一种类型防水膜的计算界面参数,如表6所示。

表6 各类防水膜计算界面参数

目前防水膜界面参数的测试数据较少,本文总结归纳的防水膜界面参数之间的内在关系可能与实际结果存在一定的误差,但防水膜界面参数随防水膜类型的变化规律是确定的。因此,这些误差并不会对喷膜防水衬砌结构力学性能的变化规律产生较大影响。

2 隧道计算模型建立

根据前期的研究工作基础[8,13,16],选用时速为100 km的高速公路隧道衬砌结构进行设计计算,采用ABAQUS软件建立喷膜防水衬砌结构基于地层-结构法的数值计算模型,计算分析在不同防水膜界面参数下衬砌结构的内力和界面应力。

2.1 围岩物理力学参数

Ⅳ级围岩在实际工程中比较常见,本文仅对Ⅳ级围岩条件下的衬砌结构进行计算分析,围岩采用摩尔-库伦本构模型,按照《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》(JTG 3370.1—2018)[21]选取围岩物理力学参数,如表7所示。

表7 围岩物理力学参数

2.2 衬砌结构设计参数

在数值模型中计算时,将初期支护钢架采用等效计算的方法折算给喷射混凝土。基于此简化,得到喷膜防水衬砌结构初支及二衬的设计参数和隧道横断面,如表8和图1所示。

单位:cm

表8 支护参数

2.3 数值计算模型

1) 模型尺寸和边界条件

建立二维地层—结构模型,模型尺寸及边界条件如图2所示,隧道埋深为50 m。隧道底部、左侧及右侧计算范围皆取4倍洞径,顶部取至地表。约束模型左侧和右侧的水平位移;约束底部的水平和竖向位移;地表自由,不约束。

单位:m

2) 初支与二衬的接触条件

已有研究发现,忽略防水膜的数值计算模型并不会对衬砌结构的计算结果有很大影响。为此,通过创建基于面与面接触的内聚力行为,模拟初支与二衬间因防水膜产生的粘结作用[13]。为了模拟衬砌结构界面的应力传递作用,初支和二衬都用实体单元,建立的隧道模型如图3所示。

图3 喷膜防水衬砌结构计算模型

3) 单元类型和网格编号

围岩、初支及二衬的单元类型都为四结点双线性平面应变四边形单元,即CPE4;锚杆使用桁架单元进行模拟,单元类型为T2D2。为了便于后续对衬砌的内力进行分析,对其网格节点进行了编号,如图4所示。

图4 网格节点编号

4) 分析步设置

计算时采用软化模量法模拟隧道开挖和支护结构施作,即在衬砌施工前将开挖区域的模量降低,以模拟隧道施工时的应力释放问题。Ⅳ级围岩采用台阶法开挖,一共设置了9个分析步:(1) 平衡地应力;(2) 将上台阶开挖土体的模量软化20%;(3) 施作上台阶初支(锚杆+喷层);(4) 将上台阶开挖部分土体的模量再软化30%;(5) 将下台阶开挖土体的模量软化20%;(6) 施作下台阶初支(锚杆+喷层);(7) 下台阶开挖部分土体的模量再软化30%;(8) 施作二衬;(9) 开挖上下台阶的土体。按照上述分析步进行计算,可在二衬施作完成后,再释放50%的围岩应力。

3 数值模拟结果及讨论

3.1 衬砌结构内力

1) 初支与二衬轴力

不同防水膜界面参数对应的初支和二衬轴力如图5和图6所示。

图5 不同防水膜界面参数对应的初支轴力

图6 不同防水膜界面参数对应的二衬轴力

从图5可以看出,喷膜防水衬砌结构中初支的轴力从拱顶到仰拱中部呈现先增后减的趋势,防水膜类型的变化对初支轴力的影响程度在隧道的不同部位有所差别,但整体上影响不大。从图6可以看出,防水膜类型的变化对二衬轴力影响较大,且在隧道的不同部位其影响规律和程度有所不同。在拱顶位置处,只有Ⅰ型防水膜对应的二衬轴力较小,Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型防水膜对应的二衬轴力基本一致;在拱肩和拱腰位置处,随防水膜型号的增加,二衬轴力逐渐增大;在仰拱位置处,随防水膜型号的增加,二衬轴力逐渐减小;拱脚位置除29和30号截面外,其余截面的二衬轴力也是随防水膜型号的增加而逐渐增大。

2) 初支和二衬弯矩

不同防水膜界面参数对应的初支和二衬弯矩如图7和图8所示。

图7 不同防水膜界面参数对应的初支弯矩

图8 不同防水膜界面参数对应的二衬弯矩

从图7和图8可以看出,喷膜防水衬砌结构中初支与二衬弯矩的变化趋势基本一致,从拱顶到23号截面前,初支和二衬的弯矩都变化不大,在拱脚和上下台阶分界位置处,出现了弯矩突变的情况,在仰拱中部又降低到原来的水平。初支和二衬的弯矩最大值都出现在拱脚位置处,其中初支弯矩最大值约为75 kN,二衬弯矩最大值约为145 kN。从整体看,初支弯矩随防水膜类型的增加在大部分截面基本保持不变,仅在仰拱和拱脚的部分位置处有所增大,且二衬弯矩也基本保持不变,仅在拱脚处稍有减小,在仰拱处稍有增大。

综合前述分析,在喷膜防水衬砌结构中,不同防水膜界面参数的变化会对二衬轴力产生显著影响,但对二衬的弯矩影响不大,这种改变会使二衬大偏心截面处的偏心距和小偏心截面处的安全系数发生变化。

3.2 界面应力

不同防水膜类型对应的初支与二衬间的法向和切向应力如图9和图10所示。

图9 不同防水膜界面参数对应的界面法向应力

图10 不同防水膜界面参数对应的界面切向应力

从图9可见,不同防水膜界面参数的变化对界面法向应力影响不大,曲线基本重合。图10中,不同防水膜界面参数的变化对界面切向应力有较大影响,且在隧道的不同部位影响不同。在拱顶和拱肩处,界面切向应力随防水膜型号的增加而减小;在拱脚和仰拱处,界面切向应力随防水膜型号的增加而增大。最大值位于Ⅳ型防水膜的拱脚位置处,其值约为276 kPa,未达到界面切向损伤起始应力1 250 kPa。

从上述分析结果来看,不同防水膜类型对界面应力的影响主要体现在切向应力上,主要因粘结强度的差异所致。增大防水膜与混凝土之间的粘结程度,衬砌结构的协同受力作用增大,从而提高了界面的切向应力,但对界面的法向应力影响有限。

4 结论

1) 从调研收集到的各类喷膜防水材料的数值看,各类防水膜的粘结刚度约为粘结强度的1.5倍,剪切强度约为粘结强度的0.5倍～0.7倍,剪切刚度约为剪切强度的0.5倍。

2) 喷膜防水衬砌结构中,防水膜类型的变化对初支轴力影响较小,从Ⅰ型防水膜到Ⅳ型防水膜,初支轴力逐渐减小,最大减小值约为 103 kN;对二衬轴力影响较大,且二衬轴力随防水膜粘结性能的增加在隧道的大部分位置(除仰拱和拱脚的个别截面外)都是增大的。

3) 防水膜类型的变化对初支和二衬的弯矩及界面法向应力影响不大,仅对界面切向应力有较大影响,最大界面法向应力约为 869 kPa,最大界面切向应力约为 276 kPa,各类防水膜条件下界面均未开始产生损伤。

4) 本文研究结果表明,在Ⅳ级围岩条件下,常用防喷涂防水膜类型及防水膜界面参数的变化不会对衬砌结构的受力和界面应力产生较大影响,因此进行喷膜防水衬砌结构设计时,在防水膜自身不受到损伤的前提下,可弱化考虑不同防水膜因界面参数的不同对衬砌结构力学性能产生的影响。