水工隧洞穿越活动断层SPUA锚固长度试验研究

孙晓强

(辽宁葠窝水力发电有限责任公司，辽宁 辽阳 111000)

1 研究背景

观音阁输水工程位于辽宁省中北部的太子河干流上，是将观音阁水库的水利用输水隧洞和输水管线输入下游本溪市境内的大型输水工程[1]。工程建成之后可以有效缓解本溪市城区和新城规划区域的用水紧张问题。该工程主要由取水头部、输水隧洞、输水管道、配水站及分支管线等工程构成[2]。观音阁水库为太子河干流上的大型水库，正常蓄水位255.2 m，总库容14.20亿m3，水库的净调节水量为7.17亿m3，可供水量为4.11亿m3，可以有效保证工程的供水需求。

观音阁输水工程输水隧洞的一标段主要穿越元古界沉积岩地层，埋深较大，且需要穿越多个断层，特别是CK31断层为活动断层，对隧洞的设计施工提出了较高的要求。在工程建成之后的应用阶段，一旦该断层活化，就会释放出十分巨大的能量，给穿越该断层的输水隧洞的安全稳定造成严重影响，甚至造成破坏[3]。因此，该洞段如果采用传统的现浇混凝土刚性结构，很难应对断层活化所造成的大变形影响[4]。为了解决上述问题，结合工程的实际情况，拟采用柔性连接方式，使隧洞在运行期间不会因为断层活化作用的影响而产生断裂破坏。

聚脲弹性体(简称 SPUA)是一种新型无溶剂、无污染的绿色材料，针对背景工程的特点和要求，拟将SPUA材料喷涂于钢筋表面形成外包弹性结构，并将其浇筑于研究洞段的混凝土中。为了获取最佳工程效果，本文通过试验研究的方式，探讨SPUA锚固长度，以便为工程设计和建设提供必要的技术支持。

2 试验设计

2.1 试验材料

此次试验使用的胶凝材料为本溪市红星建材有限公司出品的P.O42.5普通硅酸盐水泥，其表观密度为1.35 g/cm3，比表面积为430 m2/kg，初凝时间55 min，终凝时间280 min，各项技术指标均满足实验要求。试验中使用的粗骨料为人工碳酸岩碎石，最大粒径22 mm，堆积密度为1455 kg/m3；试验用细骨料为天然河沙，含泥量小于25 kg/m3，堆积密度为1 350 kg/m3。SPUA是由异氰酸酯和氨基化合物反应生成的一种弹性体物质，无毒无有机挥发、不含固化剂。目前我国已开发出多种配方体系的SPUA材料，此次研究使用的是惠州市森德宝建材有限公司601型SPUA材料。试验中使用的钢筋是直径16 mm的HRB335螺纹钢；试验用水为实验室当地的自来水。

2.2 试样的制作

研究中利用高压喷枪进行钢筋表面的SPUA材料的喷涂成型。按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)等工程技术规范中的相关要求，在进行中心拔出试验过程中锚固长度不应小于钢筋直径的5倍。结合本次试验的要求和相关研究成果，试验中设置钢筋直径的5倍、8倍和10三组不同锚固长度的试验组进行研究。由于试验用钢筋直径为16 mm，经过计算并取整，得到三组试验方案的锚固长度值分别为80 mm、130 mm和160 mm。

利用卡尺对喷涂SPUA材料的钢筋进行测量并记录好相关数据。为了测量试验过程中的应变数据，需要在试件的表面用电烙铁粘贴应变片[5]。根据上述混凝土结构试验标准，在进行钢筋拔出试验过程中试件的边长应该大于钢筋直径的10倍，因此最终确定混凝土试样的尺寸为160 mm×160 mm×200 mm。在试样的制作过程中，首先按照普通C40混凝土配合比称量好原料，然后加入水并搅拌均匀。在浇筑之前需要对模具进行必要的清洗，并在其内表面均匀涂刷一层脱模剂，然后将经过SPUA材料处理的钢筋放在模具的中央，然后浇筑混凝土并做好振捣，最后抹平试件的上表面。将制作好的试件静置24 h拆模，然后将其转移到标准养护室内养护至28 d龄期。

2.3 试验方法

试验所用的仪器为WAW-1000电脑控制电液伺服万能试验机，其结构示意图如图1所示。为了方便试验的顺利进行，在试验时将制作好的试件放在特定的夹具内。夹具由上下底板以及4根钢辊组成，钢辊的上端和下端设置有刨丝，用螺母将其与上下底板连接，这样也便于试件的装卸，夹具的底板设有球形钢铰，可以避免受拉钢筋偏斜引起混凝土基体的撕裂。实践过程中每级荷载为4 kN，加载后做好数据记录并稳定1 min，然后继续加载直至发生相对滑移。每种不同锚固长度选择3个试件进行试验，并将其试验数据均值作为最终试验结果[6]。

图1 试验装置示意图

3 试验结果与分析

3.1 试验现象

对不同锚固长度的三组试样进行试验，结果显示锚固长度为80 mm和130 mm时，试样的破坏方式有两种，分别是钢筋从SPUA材料弹性体中拔出以及钢筋和SPUA材料共同从混凝土中拔出，同时试样的表面还存在不同程度的浅层开裂。在锚固长度为160 mm时，钢筋和SPUA材料弹性体并没有被拔出，其破坏形式也比较复杂。其中，混凝土的表层存在开裂破坏现象，中部的SPUA材料弹性体与混凝土之间胶结完整而钢筋与SPUA材料弹性体的胶结面产生破坏；底部的钢筋与SPUA材料弹性体的胶结面完好而SPUA材料弹性体与混凝土之间胶结面破坏。

3.2 荷载与滑移量之间的变化规律

在进行中心拔出试验过程中，对钢筋的加载端以及自由端的位移进行测量和记录，而荷载可以由压力传感器测定。根据上述试验数据，绘制出试样的滑移量与拉拔荷载之间的变化规律，结果如图2所示。由图可知，当锚固长度为80 mm和130 mm时，试验过程可以大致分为微滑移阶段、滑移阶段和拔出阶段三个主要阶段。在微滑移阶段，荷载呈现出匀速增加的特征，但是并没有达到钢筋、SPUA材料弹性体以及混凝土之间的拉拔荷载极限，因此钢筋的自由端位移量明显偏小，此时钢筋、SPUA材料弹性体以及混凝土之间的胶结力成为阻碍钢筋或SPUA材料弹性体被拉出的主要抗力，因此曲线呈现出比较明显的线性特点。在滑移阶段，钢筋的自由端和加载端位移随着拉拔荷载的增大而逐渐增大，钢筋、SPUA材料弹性体以及混凝土之间出现比较明显的相对滑动，期间产生的摩擦力成为阻碍钢筋或SPUA材料弹性体被拉出的主要抗力，曲线的斜率有所减小；在拔出阶段，钢筋和SPUA材料弹性体以及混凝土之间出现十分显著的滑动，试样开始破坏，因此曲线呈现出不断下降的特征。当锚固长度为160 mm 时，试验过程可以大致分为微滑移阶段、滑移阶段两个主要阶段。在微滑移阶段，钢筋、SPUA材料弹性体以及混凝土之间的胶结力成为阻碍钢筋或SPUA材料弹性体被拉出的主要抗力，因此曲线的变化与前两种方案类似。在滑移阶段，钢筋、SPUA材料弹性体以及混凝土之间的部分胶结面失效，因此拉拔荷载的增速相对较缓慢，但一直呈现出上升的态势，直至混凝土表面出现开裂破坏停止，钢筋也没有被拔出。

图2 不同锚固长度下荷载-滑移量变化曲线

3.3 钢筋和SPUA材料弹性体长度变化

在试验结束之后利用切割机切割试样，然后取出其中的钢筋以及SPUA材料弹性体，利用卡尺对其长度进行测量，并与试验前的原始长度进行对比，结果如表1所示。由表中的计算结果可知，试验前后的钢筋以及SPUA材料弹性体的长度并没有发生明显的变化。究其原因，主要是在试验过程中施加的荷载由钢筋传递给SPUA材料弹性体，使其被明显拉长，在试验结束之后，SPUA材料弹性体的长度又慢慢恢复到了原来的长度，说明这种材料具有良好的弹性。

表1 钢筋和SPUA材料弹性体长度试验结果 mm

4 结 论

此次研究通过室内试验的方式，研究了水工隧洞穿越活动断层柔性连接SPUA锚固长度问题，并获得如下主要结论：

(1)锚固长度为钢筋直径的5倍和8倍时，钢筋和SPUA材料弹性体被拔出，试样的破坏方式比较简单；锚固长度为钢筋直径的10倍时，钢筋和SPUA材料弹性体并没有被拔出，其破坏形式也比较复杂。

(2)滑移量与拉拔荷载之间的变化曲线来看，锚固长度为钢筋直径的5倍和8倍时，曲线呈现出先上升后下降的特点，说明钢筋和SPUA材料弹性体被拔出；锚固长度为钢筋直径的10倍时，曲线一直为上升趋势，钢筋和SPUA材料弹性体并没有被拔出。

(3)综合上述研究结果，在工程应用层面，建议锚固长度为钢筋直径的10倍左右。

(4)试验前后的钢筋以及SPUA材料弹性体的长度并没有发生明显的变化，说明SPUA材料具有良好的弹性，从机制层面揭示了其用于输水隧洞柔性连接的机制。