（环境工程专业论文）考虑干缩和徐变的施工期隧道初期支护安全性评估方法.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 隧道施工中，利用支护位移的监控量测数据及时地进行支护结构的安全 性评价是隧道动态设计的关键，对保证隧道结构的安全具有重要意义。在隧 道监控量测参数中，支护位移由于测量方便、花费低和可信度高，在工程实 践中被广泛采用。 本文针对以位移为基础的隧道支护结构安全性分析方法，探讨了喷射混 凝土的收缩和徐变变形对隧道安全性的影响。叙述了喷射混凝土的干缩和徐 变特性，推导了考虑干缩和徐变时支护内力的计算公式，给出了支护结构截 面失效的功能函数，并进行了工程实例分析。 分析结果表明，干缩与徐变均使隧道支护结构的可靠指标有所增加，不 考虑干缩与徐变时的计算结果是偏于保守的。相比而言，干缩使可靠指标增 大不多，一般情况下可忽略其影响。徐变对可靠指标的影响，在喷层受力不 大时，影响不显著，实际工作中可以不考虑；反之，则建议考虑徐变的影响 本文的工作提高并完善了施工期隧道喷射混凝土支护安全性评价位移 方法 关键词：干缩，徐变，喷射混凝土支护，结构可靠度，位移方法 分类号：u 4 5 5 北京交通大学硕士学位论文 b s t r a c t t oat u n n e lu n d e rc o n s t r u c t i o n , ap r o m p ta s s e s s m e n tt ot h es a f 酞yo f t h el i n i n g t h r o u g hi n - s i t um e a s u r e dd a t ai so f p r a c t i c a li m p o r t a n c eb o t hf o rt h ed y n a m i cd e s i g n a n d t o 昏l a r a n t e e t h es t a b i l i t y o f t h e t u n n e l a m o n ga l l t h e p a r m n e t 既s m e a s u r e d d u r i n gt u n n e lc o n s t r u c t i o n , d i s p l a c e m e n t i sw i d e l yu s e da n dt h u sa c c e p t e da sav e r y e s s e n f i a lq u a n t i t y , d u et oi t sa d v a n t a g e si nc o n v e n i e n c e ，l o wc o s ta n dh i g h c r e d i b i l i t y i nt e r m so f t h ed i s p l a c e m e n t - b a s a dm e t h o dp r o r i o u s l yp r o p o s e dt oe v a l u n t e t h es a f e t yo f t u n n e ls u p p o r ts t l u c t e s ，t h ei n f l u e n c eo f s h r i n k a g ea n dc r e e po f s h o t c r c t eo nt h es t a b i l i t yo f t u n n e l si sa p p r o a c h e di nt h i sp a p e r t h ep r o p e r t i e so f s h o t c r e t eo ns h r i n k a g ea n dc r e e pa l ed i s c u s s e d , a n dt h ef o r m u l a st oc a l c u l a t et h e i n t e r n a lf o r c e so f t h es h o t c r e t el i n i n g 谢t hs h r i n k a g ea n dc r e e pc o n s i d e r e dm d e r i v e do u t t h e nap e r f o r m a n c ef u n c t i o nf o rt h ef a i l u 地o f ac 1 o s s 删i sg i v 曲 a tl a s t , t h r e 圮c a s es t u d i e s 玳d o n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dg i v e sl a r g e rr e l i a b i l i t yi n d e xw h e ns h r i n k a g e a n dc r e e po f t h es h o t c r c t ea r ot a k e ni n t ea c c o u n lt h a ti st os a y , t h er e l i a b i l i t yi n d e x w a su n d e r e s t i m a t e di nt h ep a s t i nc o m p a r i s o nw i t hc r p s h r i n k a g ed o c s n th a v e m u c hc o n t r i b u t i o nt ot h ei n c r e a s eo f t h er e l i a b i l i t yi n d e x , w h i c hm e a l 塔t h a t s h r i n k a g ec o u l db en e g l e c t e di nt h ea n a l y s i s t h ei n n u e n c ao f c r o pd e p e n d so nt h e d i m e n s i o no f t h ei n t e n l a lf o r c e so f t h el i n i n g w h e nt h ef o r c e sa r es m a l l ，t h e i n f l u e n c e o f c r e e p c o u l d b e i 皿o r e d h o w e v e r ，w h e n t h e f o r c , a r e b i g , t h e i n f l u e n c e o f c r e e ps h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n t h i sw o r ki m p r o v e st h ea c c u r a c yo f t h ed i s p l a c e m e n t - b a s e dm e t h o d k e y w o r d s ：s h r i n k a g e ：a p ：s h o t e r e t el i n i n g ：s t r u c t u r a lr e l i a b i l i t y ： d i s p l a c o m e n t - b a s c dm e t h o d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：张吐 签字日期：如7 年1 2 月日 - 导师签名： 危撒知 签字日期：知0 7 年7 厶月加日 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲强畦签字日期 加0 7 钆月沙日 致谢 在本论文得以完成之际，我衷心地感谢导师杨成永教授，本论文是在杨成 永的悉心指导下完成的，是作者在攻读硕士学位期间的总结。 杨成永严谨求实的治学态度，深厚扎实的学术功底，锐意进取的科研精神， 平易近人的工作作风，敏锐的洞察力让学生终身受益。杨成永对学生学习上。生 活中的关怀，让学生终生难忘。谨向杨成永老师致以最衷心的感谢! 衷心感谢白小亮硕士、谢圣娴硕士、李玉海硕士，张强博士，他们的工作 为我的研究工作奠定了基础。此外，向本文所引用文献的作者表示感谢，他们 的工作为我提供了非常宝贵的参考。 衷心感谢土建学院原党委副书记夏阳老师、研究生辅导员徐春玲老师、研 究生教学科窦学军老师、团委书记陈劲松老师等对我工作上的支持与生活中的 关心和帮助。 衷心感谢室友赵永秀硕士、方莎硕士和好友李小寒硕士等，在科研和生活 方面的支持与帮助，和她们交流是愉快而有收获的，在每日的相处中彼此结下 了深厚的友谊。 最后，我要特别感谢我的父母和家人! 他们始终不渝的给予我物质和精神 上的全力支持，他们付出了大量的心血和劳动，给了我很大的帮助，是他们的 支持鼓励和鞭策使得我能顺利地完成学业，在此表示深深地感谢! 对于参加答辩工作和评阅老师，在百忙之中抽出时间来审阅我的论文，表 示感谢。由于受时间和本人水平的限制，本文难免存在一定的不足和漏洞，希 望老师给予批评与指正。 张咂 2 0 0 7 年1 1 月2 0 日 北京交通大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 1 1 研究的背景和意义 隧道是交通线上重要的组成部分。它被广泛地应用于公路、铁路、矿山、水 利、市政和国防等方面。据不完全统计，自1 9 4 9 年1 0 月至2 0 0 5 年末半个多世 纪以来，中国共建成铁路隧道6 8 7 4 座，总延长4 1 5 8 l 。连同此前修建的6 6 4 座、 总延长1 5 6 k m 铁路隧道。中国铁路现建成隧道7 5 3 8 座，总延长4 3 1 4 k m 。其中， 长度大于等于5k m 的隧道有5 3 座。2 0 0 6 年在建的隧道有1 7 8 5 座，总长度约2 1 6 4 k m ：即将开工的高速铁路隧道约1 4 6 座，长度约1 8 4k m ；规划修建的客货共线隧 道长度约2 1 0 0k m ，其中特长隧道约7 6 0k m 。这一组组生机勃勃的数字，足以显 示中国铁路隧道光辉的历程和美好的发展前景 在隧道结构工程中，为了能安全适用、经济合理、确保质量、快速施工，必 须对支护结构作出可靠性评价，以便能及时或提前采取措施，作出合理的设计、 施工决策。 由于地下结构设计受各种复杂因素的影响，而这些因素的影响规律还没有完 全被人们所认识，故理论计算的结果常与工程实际有较大的出入，很难用作确切 的设计依据。目前，流行于世的隧道结构设计数学模型是1 9 7 9 年国际隧协( i t a ) 所归纳的“荷载一结构”( 荷载反力模型) 、“收敛一约束”( 收敛约束模型) 以 及“连续体”( 连续体模型) 等三种设计计算模型。虽然，各种数值计算方法在 隧道及地下工程中的广泛应用，对隧道的设计和施工起到了较好的指导作用。但 是从工程角度看，得到的结果往往不是太满意。因此，工程类比法在我国隧道工 程结构设计中仍占主导地位i t l 。但工程类比法还没有一个完善的隧道工程数据库， 设计者难以在纵观全局的基础上确定出经济合理的设计方案来。 随着以封闭、密贴、柔性为基本支护特性的喷锚支护的采用，以及以喷锚支 护为主要技术背景的“新奥法”的推行，围岩输出的现场监控量测越来越受到人 们的重视。隧道支护结构位移可靠性分析方法”利用这些在隧道开挖和支护过 程中对围岩以及支护结构变形的监控量测数据，及时地对衬砌的可靠性做出客观 北京交通大学硕士学位论文绪论 定量的评价。不需要掌握围岩的性质及围岩与衬砌的相互作用，避开了以往应力 体系的诸多困难，具有重要的实践意义 目前，隧道支护结构位移可靠性分析方法中尚未考虑到干缩和徐变。而干缩 和徐变作为混凝土材料本身固有的重要时变特性，对于支护结构的受力和变形性 能有着显著的影响。如在预应力混凝土结构中，由于混凝土的收缩和徐变，预应 力会逐步减小，达不到预期的效果：在大跨度的结构中，混凝土的徐变会逐步降 低其预拱度，使结构的使用性能受到影响；在高层建筑中，由于混凝土的收缩和 徐变，施工过程也会导致结构内力重分布，与不考虑混凝土收缩徐变效应的分析 结果将有较大不同；在大跨度的结构中，混凝土的徐变会逐步降低其预拱度，使 结构的使用性能受到影响只要结构中存在混凝土，混凝土的收缩和徐变便始 终存在着。 隧道支护结构位移可靠性分析方法基于对围岩以及支护结构变形监控量测数 据，对于支护结构的变形最为敏感。因此研究收缩和徐变对施工期隧道支护结构 的影响对于完善隧道支护结构位移可靠性分析方法具有重要意义 1 2 研究历史及现状 1 2 1“位移法”的思想与进展 在隧道工程结构设计计算中，力学计算方法由于结构计算模型和力学参数的 不确定性，以及相关理论的不完善，从“应力场( 体系) ”出发，按照“结构抗 力作用效应”模型，从力学计算角度入手来进行设计和可靠度分析是困难的。 2 0 世纪5 0 年代喷锚支护兴起的同时，出现了系统的现场监测。与此同时，国 际上也开始通过对隧道围岩变形的量测来监视围岩和支护结构状态，并应用现场 监测结果修改设计，指导施工。2 0 世纪6 0 年代兴起了新奥法。“新奥法”强调围 岩输出的现场监控量测，提供了在隧道开挖和支护过程中，及时对围岩以及支护 结构变形进行监测，并通过这种监测对隧道支护结构做出可靠性分析的可能性。 7 0 年代以来，国内对这类技术逐渐重视，并开始在工程实践中推广应用。 由于隧道断面周边各点围岩的变形( 位移) ，是在洞室开挖以后应力重分布 影响范围内，围岩内各点应变值沿位移方向的积分。它是在隧道开挖和支护过程 北京交通大学硕士学位论文绪论 中，在众多因素影响下，围岩整体力学性质稳定状态最直接、最能反映本质的客 观表现。虽然影响围岩的众多因素的具体量值及其相互作用机理以及这些因素在 施工过程中的动态变化并不清楚，但是在它们的共同作用下围岩整体稳定性的状 况是可以通过围岩周边位移量值及其速率的变化综合反映出来的【l l 。因此，不少 专家都主张从“应变场( 体系) ”出发，进一步应用位移、变形来对隧道支护结 构可靠性进行分析和评价。 自2 0 世纪7 0 年代起，随着计算机技术的大力发展，很多学者对岩土计算理 论尤其是岩土工程反演理论进行大量研究并取得了较多成果国外如日本的樱井 春辅教授( s s a k u m ) 提出的位移一应变反馈确定初始地应力与地层弹性参数值的 有限单元法、结合工程实践提出的确定围岩极限张应变值的原理和方法，以及评 估隧道稳定性的方法和标准【2 1 。大冢正幸( o h t s u k am a s a y u k i ) 在提出的位移预报法 中涉及了初始地应力的反演确定，并对圆形洞室的粘弹性问题给出了解析解法； 英国学者古德曼( p , e g o o d m a a ) 在7 0 年代出版的岩石力学专著中己提到可依据位 移量反算初始地应力；意大利学者( o o i o d a ) 提出了可同时确定初始地应力和地层 特性参数的优化反演分析理论。p a l i l l y 、j l i 提出的用位移模型估计开挖的可靠 度 3 1 。 在国内方面，长江科学院提出了根据圆形洞室的洞周位移进行平面应变问题 初始地应力反分析计算的复交函数法。铁道科学研究院西南所主持完成围岩初始 地应力和岩体变形模量的位移反分析”课题，提出了根据隧道开挖后量测到的围岩 周边位移，按二维平面应变问题进行反分析的边界元法。西安空军工程学院提出 了引入数理统计原理的二维弹塑性问题位移反分析计算的边界单元法。能源部成 勘院提出了可考虑松动圈影响的弹塑性问题双介质位移反分析数值计算法。石家 庄铁道学院提出的极限位移方法 4 1 【5 l o 这些新方法和理论研究成果不仅极大地促 进了岩石力学的发展，也有力地激起了隧道动态设计的变革。 但是以上理论都是在“连续体”模型基础上进行的扩展和延伸。在极限位移法 中，仍然要使用围岩力学参数并进行有限元数值计算，所以极限位移法并不是完 全依赖于支护位移。 杨成永教授在文献【6 卜【9 】中提出的“隧道支护结构位移可靠性分析方法”， 是从“应变场( 体系) ”出发，利用在实际地形地质、具体的支护结构形态和施工条 件下的隧道现场实测位移( 几何尺寸) ，按照应变的定义计算出应变( 线性拉压应 变和弯曲应变) ，在支护结构材料本身的应力应变关系成线弹性的基本假设下，进 北京交通大学硕士学位论文绪论 一步计算出应力，最后与隧道支护强度( 该应力是由隧道支护结构材料本身的力 学性质决定的) 建立功能函数。最后，再对支护结构的可靠性进行分析和评价。 。隧道支护结构位移可靠性分析方法”避开了以往应力体系的诸多困难，又充 分地、更进一步地利用了“新奥法”施工过程中所得到的监控量测数据，在不增加额 外量测工作量的情况下，完成了对支护结构可靠性的分析 “隧道支护结构位移可靠性分析方法”从提出至今，被不断的发展完善。本文 将在前人的研究成果的基础上，进一步研究收缩和徐变对隧道安全性的影响。 1 2 2混凝土干缩和徐变的研究现状 混凝土的干缩和徐变特性是混凝土的一种基本长期性能，但人们对它的认识 却经历了一段长期的过程。从1 9 世纪第一次观测到混凝土的收缩和h a t t 在1 9 0 7 年首先发现混凝土的徐变至今，国内外一大批专家和学者对这一课题开展了长期 的研究工作虽然已经取得了一批重要的成果，但正如b a z a n t 所言，混凝土的收 缩徐变现象还远没有被完全掌握 h i ，混凝土收缩和徐变的机理及影响因素十分复 杂，各有特点，又相互关联，对混凝土收缩徐变机理和影响因素的认识直接关系 到对结构收缩徐变的正确分析。 在混凝土收缩徐变效应分析方法方面，前后提出应用的方法主要有三种：微 分方程解法、代数方程解法和有限元法。f ；d i s c h i n g e r 在2 0 世纪3 0 年代首先提出 了混凝土超静定结构收缩徐变分析的微分方程解法【删。这种微分方程求解方法的 缺点主要在于为了便于求解所作的一些假定与实际情况偏离较大，不能适应任意 的收缩徐变表达式。其次，微分方程解对多次超静定结构十分复杂。1 9 6 7 年，h t r o s t 教授引进了松弛系数的概念( 1 9 7 2 年z p b a z a n t 改称为老化系数) ，推导出应力 一应变关系的代数方程表达式，徐变次内力问题可以采用代数方程求解，并且可 以选择合乎实际情况的徐变系数表达式，既简化了计算，又提高了精度。1 9 7 2 年 z p b a z a n t 教授对h f r o s t 公式进行了严密的论证，并将它推广应用到变化的弹性 模量与无界限的徐变系数，形成了t r o s t - b a z a n t 代数方程解法( 即t b 法) 。采用这 两种方法分析混凝土结构的收缩和徐变效应的基本原理都是力法，力法本身的缺 陷也使其应用具有较大的局限性。随着计算机技术的进步和结构有限元分析方法 的发展应用，t b 法与有限元基本原理相结合产生的按龄期调整有效模量的有限元 北京交通大学硕士学位论文绪论 解法，在混凝土结构的收缩徐变分析中得到广泛应用。这种方法具有较多的优越 性，很多文献都有所提及，还出现了专门的计算程序【搠。 对结构收缩徐变效应分析的有效性取决于对混凝土收缩应变和徐变系数的计 算及结构分析方法的选用。在缺乏试验资料的情况下，混凝土收缩应变和徐变系 数的计算更多的依赖于已有的收缩徐变预测模型。 随着混凝土徐变收缩计算理论与方法的不断发展，出现了各种函数形式的徐 变和收缩表达式，如幂函数、对数函数、双曲线函数、指数函数等。国外关于混 凝土收缩徐变的基础研究如火如茶，混凝土收缩和徐变的各种预测模型不断被提 出和更新，令人眼花缭乱。其中影响较大、应用较多的有欧洲混凝土委员会和国 际预应力混凝土协会提出的c e b - f i p 系列模型【1 2 】【1 扪，美国混凝土学会a c l 2 0 9 委 员会提出的a c l 2 0 9 系列模型 1 4 l 阍，英国混凝土协会提出的b s 系列模型 1 6 l 【堋， b a z a a t 等人利用计算机对世界各国收缩徐变的庞大试验数据进行了最佳拟合的分 析研究并在此基础上提出的b - p 系列模型【1 b 】【 2 0 1 ， 美国混凝土学会( a c i ) 的 g a r d n e r 和z h a o 提出的g z ( 1 9 9 3 ) 模型和g l 2 0 0 0 2 1 i 2 2 1 模型等。这些模型考虑的因 素各有差异，计算精度也不尽相同。 我国关于徐变收缩理论的研究起步于上世纪5 0 年代，最先主要是在预应力简 支梁的预应力损失和预拱度计算时考虑徐变收缩因素的影响。6 0 年代以来，在进 行了较多系统的试验研究后，提出了相应的数学计算模式。超静定结构徐变、收 缩分析的国内文献，以1 9 6 4 年劳远昌教授的专著与张忠岳研究员的试验报告为最 早，但应用于实际结构则在2 0 世纪7 0 年代中后期。1 9 6 5 年华南工学院林南熏教 授提出了多项式指数函数相结合的徐变系数表达式阱】，1 9 8 5 年水利水电科学院朱 伯芳高级工程师提出了幂指数函数形式的徐变计算模式 2 4 1 。 我国混凝土收缩与徐变的试验研究协作专题组在1 9 8 2 - 1 9 8 6 年曾进行了 大规模的比较系统的试验研究，提出了混凝土徐变计算的建科院模型闭嘲。中国 建科院模型中关于徐变系数的表达式采用了标准状态下双曲幂函数与多个徐 变影响参数修正系数乘积的形式，考虑的徐变影响参数包括环境相对湿度、构件 截面尺寸、养护方法、粉煤灰掺量、加荷龄期、混凝土强度等级。苏清洪等网进 行了近两年的加筋混凝土徐变试验，分析了钢筋对徐变损失的影响，并在建科院 ( 1 9 8 6 ) 模型的基础上建立了考虑钢筋这一影响参数的推荐模型，模型的预测值 与试验实测值符合较好。卫军瑚垮在此模型框架基础上建立了干燥地区混凝上徐 变估算体系，经与试验结果比较，二者符合较好。吴胜兴网根据国内1 7 组水工 北京交通大学硬士学位论文 绪论 大坝混凝土的徐变试验数据进行统计分析，提出了估算水工大体积混凝土徐变度 的数学模型，同时基于弹性徐变理论推导应力松弛系数数学模型，模型己被水 工混凝土结构设计规范d 们5 0 5 7 1 9 9 6 采纳。总之，近2 0 年来，我国在混凝土 结构的徐变数学预测体系方面，也取得了比较丰富的研究成果。 相比普通混凝土，喷射混凝土具有水泥用量大，用水量相应较大，砂率高， 粗骨料用量少，速凝剂使用量大和表面系数较大等特点。因此，喷射混凝土的收 缩和徐变具有自身的特点。目前国内外对这方面的研究较少，l m a l m g r e n 通过对 比试验讨论了喷射混凝土的黏结强度与收缩量随龄期的增长1 3 2 1 。我国冶金建筑研 究院测定过收缩量随龄期的增长。c h r i s t i a nh e l l m i c h 等在r i l e mb 3 模型的基础上 建立了早期的喷射混凝土徐变预测模型 3 4 1 3 s l ，但是r i l e mb 3 中需要的参数较 多，对于实际工程应用不方便。 1 3 本文的研究内容 本文针对以位移为基础的隧道支护结构安全性分析方法，探讨了喷射混凝土 的收缩和徐变变形对隧道安全性的影响。叙述了喷射混凝土的干缩和徐变特性， 建立了符合喷射混凝土特点的于缩和徐变预测模型，推导了考虑干缩和徐变时支 护内力的计算公式，给出了支护结构截面失效的功能函数，最后用m a t l a b 编写程 序将本论文中的衬砌结构可靠性分析方法程序化，使之成为输入量测结果或坐标 数据，就能输出可靠指标或可靠度的自动化程序模块。 本文共分六章。 第一章绪论，介绍了位移法的思想和发展状况，隧道支护结构位移可靠性分 析方法的特点，以及混凝土干缩和徐变的研究历史和现状，以及本论文的研究的 主要内容。 第二章喷射混凝土干缩的影响，叙述了混凝土干缩的机理和影响因素，喷射 混凝土干缩的特点，介绍了国内外常用的收缩预测模型，在此基础上建立了喷射 混凝土的收缩预测模型，推导了干缩引起的喷层应变。 第三章喷射混凝土徐变的影响，叙述了混凝土徐变的机理和影响因素，喷射 混凝土徐变的特点，介绍了国内外常用的徐变预测模型，在此基础上建立了喷射 混凝土的徐变预测模型，推导了徐变引起的喷层应变 譬己奎主匕兰堡三堂堡苎一 绪论 第四章结构功能函数，给出了衬砌结构截面失效的功能函数，推导了考虑干 缩和徐变的喷层总变形以及衬砌内力的计算公式，讨论了基本随机变量的概率特征 叙述了通过测量位移计算可靠指标的步骤。 第五章工程实例分析，通过砒霜坳隧道、省界隧道和南京地铁隧造t - - - - 个工程 实例的计算结果对比了考虑干缩和徐变后得到的失效概率和可靠指标与未考虑干 缩和徐变时的差异，并且分析了造成这种结果的原因。 最后一章结论与展望，总结了研究成果，提出了下一步研究工作的展望。 北京交通大学硕士学位论文喷混凝土干缩的影响 第2 章喷射混凝土干缩的影响 混凝土在硬化过程中要发生体积变化，最大的变化是当混凝土在大气中或湿 度较低的介质中硬化时产生的体积减小。这种变形称为混凝土的收缩。除去温度 作用，混凝土的收缩主要有四种：塑性收缩( p l a s t i cs h r i n k a g e ) 、自生收缩( a u t o g e n o o u s s h r i n k a g e ) 、碳化收缩( c a r b o n a t i o ns h r i n k a g e ) 和干燥收缩( d r y i n gs h r i n k a g e ) 。 塑性收缩是由于混凝土凝固前水化反应失水引起体积减缩造成；自生收缩则 与水泥水化作用产生的毛细管孔隙失水有关；碳化收缩是由于混凝土中各种水化 物与空气中c 0 2 ，发生化学反应所致，只局限于混凝土表面；干燥收缩( 本文中 简称为干缩) 是混凝土干燥时的体积改变，是由于混凝土中水分在新生成的水泥 石骨架中的分布变化、移动及蒸发引起的。结构收缩计算主要是针对干燥收缩。 2 1 混凝土的干燥收缩 2 1 1干燥收缩的机理 干燥收缩是指混凝土中的水泥石向环境失水产生的收缩，这种现象与水泥石 的特殊性，即水泥石中毛细管孔网络的商孔隙率，( 2 - 5 - i - t 颗粒的高分散度以及 c - s h 凝胶中存在范德华力等有密切的关系。干缩变化规律是开始干缩速率大，而 后干缩速率逐渐减小。若以2 0 年的干缩为准，则3 个月的干缩占“，1 年占7 8 。 对于混凝土的干燥收缩的解释有很多学说，普遍认同的学说为毛细管张力学 说，拆开压力学说、凝胶体颗粒表面能变化学说、层问水迁移学说1 3 6 1 1 毛细臂张力学说 干燥收缩过程与毛细管中水的弯液面有关，在毛细管水蒸发过程中，混凝土 处于不断增强的压缩状态，导致体积缩小，见图2 1 。 平面状态的水的饱和蒸汽压决定于温度的高低，而硬化水泥石中毛细孔及凝 胶孔中的水，由于水表面成曲面，故比平面状态的水的饱和蒸汽压低，不容易蒸 发。水泥凝胶体表面的吸附水，由于分子引力的作用，就更不容易蒸发。 北京交通大学硕士学位论文 喷混凝土干缩的影响 1 3 l q 由l a p t a c e 方程可得附加压力为： 2 盯c o s 0 a v = - - - - - - - - - - - - - - - 一 ， p 毛细孔中弯曲液体表面下的附加压力； 口毛细孔中液体的表面张力； 口毛细孔中液体与毛细孔壁的接触角( 此时嘞。) ； ，毛细孔半径。 栩湿的 干的 暮x 叫i - l m h 一 1 0 0 e a 湘对馒度 + _ 一 o 1 m 6 0 相对湿度 2 - 1 图2 - 1 毛细管压力 2 - 1c a p i l l a r yp r e s s u r e 水面的曲率半径与饱和蒸汽压之间的热力学平衡关系可用k e l v i n 方程表示 - g 云= 嚣 式中： p 曲面水的饱和蒸汽压力； 风平面水的饱和蒸汽压力； 盯水的表面张力( 2 0 。c 时为7 2 7 5 d y n o m ) ，注：l d y n = 1 0 n ： 仁水的分子量； r 气体常数； t - - - - - - 韫度( k ) ； p 水的密度( c m 3 ) ； ，水面的曲率半径( c m ，圆心位于水的外侧为正) 。 2 - 2 北京交通大学硕士学位论文喷混凝土干缩的影响 因此，当混凝土所处的环境的相对湿度降低时，在其中形成弯液面的临界半 径y 越来越小，毛细管负压增大。负压作用在毛细管壁上产生压应力使水泥石产 生收缩。较粗的毛细孔在相对湿度降至约9 5 时是空的，此时，毛细管临界半径 仍很大，所以，水泥石上毛细管负压引起的应力相当小。当相对湿度降到更低时， 毛细管负压引起的应力相当迅速，因此产生很大的干燥收缩。由k e l v i n 方程计算 表明，当相对湿度降低到4 0 - , - 5 0 时，弯月面已不稳定，毛细管压力不能继续存在， 就不再产生由此引起的收缩变形。 2 拆开压力学说 水泥石中的凝胶体在范德华力作用下，吸引周围的凝胶颗粒，并使其相邻表 面紧密接触。当凝胶体表面吸附水时产生拆开压力( 由吸附膜中水分子的趋向决 定) 。拆开压力随吸附水膜的厚度的增加( 相对湿度的增加) 而增大，当拆开压力超 过范德华力时，拆开压力迫使凝胶颗粒分开引起膨胀。与此相反，相对湿度降低 时，拆开压力减小，凝胶颗粒继续在范德华力的作用下吸引在一起，产生收缩， 见图2 2 。资料表明口6 】相对湿度在5 0 - 8 0 0 $ 内变化时，拆开压力才发生变化 晰开 北京交通大学硕士学位论文 喷混凝土于缩的影响 旺固体的比表面积。 o o 当固体表面吸附水后，表面自由能降低，从而固体粒子所受压力减小，体积 增大。在第一层单分子层吸附时，这些变化最大( 相对湿度达到2 0 ) ；第二层 水吸附完毕之后( 相对湿度在5 0 0 , 4 以上时) ，这些变化可以忽略不计，见图2 3 。 反之，当相对湿度降低，表面自由能增加，固体粒子所受压力髓之增加，使固体 内部产生压缩。 4 层间水迁移学说 硬化后的水泥石是由水泥水化产物、未水化水泥颗粒、水和少量的空气组成 的固液气三相多孔体系。随着水泥水化的进展，原来充水空间减少，而没有 被水化产物填充的那部分空间，形成毛细孔。水泥水化产物c s - h 凝胶彼此交叉 连生，内部存在大量的凝胶孔，孔中充满了凝胶水 层间水迁移引起的收缩，是指存在于c - s h 凝胶内层区的层间水随着相对湿 度的降低，产生较大的能量梯度，从而使层问水向外迁移产生的收缩。f e l d m e n 和 s e r e d a 认为，c s - h 的层闻水在低相对湿度条件下才会失去，并对收缩有显著的影 响，尤其是对不可逆收缩产生很大的影响，其程度比表面自由能或拆开压力等的 影响大很多。层间水只有在凝胶水蒸发或受挤压时才向外迁移当水泥石内部相 对湿度大于5 0 时，毛细管水仍稳定存在，因此凝胶水也能稳定存在，故不会引 起层间水的迁移。只有在相对湿度很低的条件下，才发生因层间水迁移引起的收 缩。 北京交通大学硕士学位论文喷混凝土干缩的影响 2 1 2干燥收缩的影响因素 影响混凝土干燥收缩变形的因素很多。主要有水泥品种及用量、掺合料、骨 料含量、养护条件、周围环境的湿度、温度及构件尺寸等 1 水泥品种及用量 硅酸盐水泥混凝土的干缩大，而粉煤灰水泥混凝土的干缩较小。单位体积内 水泥浆用量越多，其干缩越大。在水泥用量不变，水灰比增大使灰浆率增加的情 况下，灰浆率越大，干缩也越大；或者水灰比越大，干缩也越大 2 骨料 骨科一般不会产生收缩变形，它能对混凝土干缩起约束作用。因此，单位体 积内的骨科含量越大，则干缩越小 皮克特根据材科学理论，假定骨科本身不收缩，骨料与水泥石均为弹性体， 推导出混凝土收缩率与水泥石收缩率的关系式m ； 最= s ，( 1 一口y 2 4 式中： s ，辊凝土的收缩率； 水泥浆的收缩率； 卜一骨料的体积含量； n 一与骨料弹性性质有关的常数，n f f i l 2 1 7 。 从式2 4 可以看出，增加混凝土中骨料的体积含量( 或减少配合比中水泥浆的 体积含量) ，能使混凝土的干缩减小。骨料含量为6 0 的混凝土干缩只有纯灰浆干 缩的五分之一。 另外，骨料品种对混凝土干缩的影响也很大。试验发现石英岩和石灰岩骨科 混凝土的干缩最小；而砂岩骨料混凝土的干缩最大 3 掺合料 掺化学外加剂使混凝土干缩增大，掺加气剂比掺减水剂增加的干缩要大一些。 特别是掺用氯化钙早强剂能使干缩明显增大，试验结果显示，掺1 的氯化钙，其 干缩比不掺的增大1 倍多。掺用外加剂后，若降低水灰比，则掺外加剂对混凝土 干缩没有显著影响，尚有减小的趋势。 4 养护条件 北京交通大学硕士学位论文喷混凝土干缩的影响 延长初期潮湿养护时间仅能推迟干缩的开始，并不能减小混凝土短期的干缩， 但对于干缩终值有一定影响埘。低压蒸气养护及高压蒸汽养护与常温湿养护相 比，干缩值都将减小。低压蒸气养护比常温湿养的混凝土收缩减小1 0 , - , 3 9 ：高压 蒸气养护比常温湿养的混凝土收缩减小7 2 8 0 r 4 4 。 5 周围环境 混凝土周围环境的湿度对于干缩变形影响极大。对比试验显示：在水中混凝 土膨胀1 6 0 x l o 6 ，在7 0 相对湿度下就干缩8 0 0 x l o 6 ，在5 0 相对湿度下干缩高达 1 0 8 0 x l o 6 。 6 构件尺寸 构件尺寸不但影响干缩速率，而且也影响干缩的大小。构件尺寸越大，干缩 越小。混凝土的干缩率，一般在3 0 0 x l o t 8 0 0 x 1 0 r 6 之间，约为水泥浆体收缩量的三 分之一。干缩的扩散速度比较慢，对于大体积混凝土，干缩扩散深度达到6 c m 需 要一个月的时间，因此大体积混凝土内部几乎不存在干缩的问题，但是表面干缩 却是不可忽视的问题。对于薄壁结构，干缩的影响深度相对较大，无疑应当十分 重视。 2 2 喷射混凝土干缩的特点 由于喷射混凝土水泥用量大( 3 7 0 - 4 0 0 k g m 3 ) ，有时还掺入粉煤灰等掺合料； 砂率大( 4 5 - - 5 5 ) ，虽然水灰比较小但是绝对用水量大，而对体积稳定性有良 好作用的粗骨料比普通混凝土少得多，粗骨料最大粒径小，回弹量中又大部分是 粒径较大的骨料，因此，喷射混凝土的收缩值比普通混凝土大得多【韧。 我国冶金部建筑研究院测定的喷射混凝土收缩量随龄期的增长，表明在自然 条件下养护的喷射混凝土收缩值变动于( 8 0 , - , 1 4 0 ) x l f f 5 c n l c m 。美国文献报道的喷 射混凝土收缩值变动于( 6 0 - 1 5 0 ) x l o 5 c m c m 。实际工作的混凝土，受基材岩石等 的约束，收缩值比自由收缩时小【捌。 影响喷射混凝土收缩值的主要因素为速凝剂和养护条件。 1 速凝剂 由图2 4 喷射混凝土收缩量随时间的变化可以看出，同样在自然养护条件下， 掺加占喷射混凝土重3 4 的速凝剂的喷射混凝土的最终收缩率要比不掺速凝剂 北京交通大学硕士学位论文喷混凝土干缩的影响 的喷射混凝土的最终收缩率要大8 0 【伽。这是因为加入速凝剂之后，加速了水泥 水化作用，是存在于水泥颗粒间的大量有利水被未水化的颗粒迅速吸收，使q s 提前进入凝结硬化。由于新生成物的不断加入。胶体迅速变稠失去塑性，氢氧化 钙与含水铝酸三钙逐渐从胶体中结晶，是水泥具有强度。同时，当水泥加速反应 时，放出大量热量，失去水分。这些都使加速凝剂比不加速凝剂的收缩量要大 收 缩n0 5 室 爨d j o o | j 5 o 2 d 时间( d ) 3j 42 86 d 鲫j 2 0i3卯 图2 - 4喷射混凝土收缩量随时间的变化 f i g z - 4s h r i n k a g eo f s h o t c r e t ew i t ht i l n e 卜不掺速凝剂的试件；2 一掺3 辅速凝荆的试件 2 养护条件 在硬化过程中的空气湿度和混凝土自身保水条件等，对喷射混凝土的收缩也 有明显的影响。图2 5 表明当喷射混凝土在潮湿条件下养护时间愈长，则收缩量 愈小f 4 0 l 。 l 1 5 02 0 0 2 s 0加o 龄期( d ) 图2 5不同养护条件下喷射混凝土的收缩( 1 旷) _ 毡。占s h r i n k a g eo f 曲o t c 他t ea td i f f e r e n tc u r i n gc o n d i t i o n s ( 1 0 咚) 1 一空气相对湿度为9 0 条件下，养护2 8d 后自然养护： 2 一空气_ 相对湿度为9 0 条件下，养护2 5 d 后自然养护 收缩值 北京交通大学硕士学位论文喷混凝土干缩的影响 图2 6 表明保水状态下的喷射混凝土远比标准试件小，小相对湿度9 0 条件 下养护4 5 d 后再行自然养护的保水试件，龄期1 5 0 d 的收缩值为1 4 2 x l o - s 1 4 0 1 另外，由于干燥收缩形是一个从混凝土表面逐步向内部发展的过程。它能引 起内应力和残余变形。喷射混凝土的形状和尺寸不同，这种残余变形也不相同。 如果喷射混凝土厚薄相差悬殊，则薄的部位常常因为水分蒸发快而容易产生裂缝。 所以，喷射混凝土后应该及时喷水养护，保持喷射混凝土表面的湿润状态，则能 够减缓收缩，减弱内应力，从而减少喷射混凝土表面开裂的危害【柏】。 5 0 1 0 01 5 0 加o2 5 03 0 0 龄期( d ) 图2 - 6 不同保水条件下喷射混凝土的收缩( n o - s ) f l g 2 6 s h r i n k a g e o f d i f f e r e n t l y m o i s t u r e - b e a r i n gs h o t c r e t e ( 1 05 ) 1 一标准试件( 六面敞开) ；2 - - 保水试件( 里面均用石蜡封闭，近似模拟不失水的情况) 通常喷射混凝土层厚度小，体表比小的结构，干缩的影响深度相对较大【划。 l m a l m g r e n 等实验结果表明 3 2 1 ，喷射混凝土的干缩明显大于标准的混凝土试件， 且喷层的厚度越小，干燥收缩越大。如图2 7 所示 - 工 j 至： 0 0 j 姑 。且 + 翻- d 一 h 柚由慨q ，一州瞳r - - 脯嗡由啊峨2 对 r _ 叫对_ - 瞳a 事 t _ _ 南h 憎- 5 0 m m 脚* d m m n m 4 - 鼍 0钟柏 1 t h w 嗍 图2 - 7 标准试件和不同厚度喷射混凝土层的收缩 x 豫2 - 7m e u u r e df r e es h r i n k a g e , r e s u l t sf r o ms t a n d a r dt e s t sa n d 叩嘲= i i n 叫m o d 曲g s h o t c r e t e 订山2 5a n d5 0m m 血i c k n e s s , r m ，e c 吐v e l y 收缩值 北京交通大学硕士学位论文喷混凝土干缩的影响 2 3 混凝土收缩预测模型 2 3 1国内外常用预测模型 混凝土收缩应变和徐变系数的计算更多的依赖于已有的收缩徐变预测模型。 这里介绍目前常用的c e b - f i p ( 1 9 7 8 ) 和c e b - f i p ( 1 p 9 0 ) 模型、美国混凝土学 会( a c o 的a c l 2 0 9 r 模型、国际材料与结构研究试验室联合会( r i l e m ) 提出的 r i l e mb 3 模型，以及美国混凝土学会( a c 0 的& 趾 d n c r 等提出的g l2 0 0 0 模型。 2 3 1 1c e b - f i p 模型p 2 【 习 欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土协会( c e b - f i p ) 分别在1 9 7 0 年、1 9 7 8 年和1 9 9 0 年提出了收缩徐变预测的三个模型：c e b - f i p ( 1 9 7 0 ) 模型，c e b - f i p ( 1 9 7 8 ) 模型和c e b - f i p ( 1 9 9 0 ) 模型 1 z l 1 3 1 。影响较大的是后两个模型。c e b f i p ( 1 9 7 8 ) 模型 和c e b - f i p ( 1 9 9 0 ) 模型分别是我国新、老桥梁规范 5 1 1 5 2 所采用的徐变预测模型 1 c e b - f i p ( 1 9 7 8 ) 模型 c e b - f i p ( 1 9 7 8 ) 模型的计算方法基于r u s c h 和j u n g w i r t h 的建议 3 2 1 。c e b f 口 ( 1 9 7 8 ) 模型关于收缩应变的计算考虑了湿度、温度、构件尺寸、时间等因。收缩随 时问发展的曲线采用双曲一幂函数。在时间间隔内发生的混凝土平均收缩应变为： 也) = i 凡( f ) 一凡( 乞) i 2 - 5 0 2 1 2 2 - 6 式中：o ，乞) 混凝土的收缩应变，1 0 6 ； 尾( f ) 与时间和有效厚度有关的收缩发展系数； s 厶o 极限收缩应变。 5 赢取决于与环境相对湿度，毛 2 取决于有效厚度；