摘要：工程耐久性的因素非常多,很多因素目前尚不明确或研究不够,具有不确定性,且这些因素将对结构的耐久性联合产生作用,本文进行的工作仅为对其各自的影响进行的探讨,因此还存在一定的粗糙性。对地下结构进行耐久性研究是近期提出的课题。鉴于涉及因素较为复杂和研究时间尚短,研究工作仍有待继续深入。今后研究的重点应放在其有别于地面和水工结构的地方,即应主要考虑各类岩土介质、复杂多变的应力状况、地下水渗流耦合效应、不均匀地层沉降等因素对地下工程结构物耐久性的影响。
关键词： 地下结构；地铁；耐久性；可靠性；
0引言
以往人们普遍认为,地下工程混凝土或钢筋混凝土衬砌不会自然损坏和失效,能够满足50年或更长使用年限的要求。但近些年来,这种观念己逐渐发生变化。由于地下工程结构与有害气体、地下水、岩土介质或其他各种特殊环境紧密接触,加上各种突发灾害或不确定性因素影响,由此引发的各类耐久性问题越来越严重。从耐久性研究角度和方法来看,目前一般采用的是单一因素分析法,而对各因素间的交叉影响考虑极少,这与实际情况存在差异。
1 耐久性影响因素分析
1.1 化学作用引起的腐蚀破坏
这方面包括碳化作用及各种Cl-、SO2-4、Mg2+等的侵蚀破坏。由于一般环境土体中Cl-、SO2-4、Mg2+等的含量较低,与碳化相比,其对混凝土保护层的侵蚀甚微,可不予考虑。但是,在碳化破坏锋面到达钢筋界面时,则因Cl-可优先于O和OH-被钢筋吸附,故此时应开始考虑Cl-的影响。此时稍高的Cl-浓度都可能造成对钢筋的极大破坏(如点蚀)。故化学腐蚀试验考虑做两方面的研究:碳化作用及氯离子对钢筋的侵蚀破坏。化学腐蚀对钢筋的破坏作用很明显,由此造成的损失也是巨大的。
1.2 杂散电流引起的电化学腐蚀破坏
地铁列车采用直流电力牵引,随着时间的推移,由于各种原因的影响,不可避免存在一定的泄漏电流(也称迷流)。地铁迷流主要是对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀。它不仅能缩短金属管线的使用寿命,还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性,甚至酿成灾难性事故。
1.3 差异沉降引起的结构破坏
由于地铁隧道周围环境土体、土层的不均质性,所处的工程地质环境特点不同,其流变性和固结度也有差异(上海地区土体普遍为饱和含水土层或粘性夹砂层)。在地铁隧道建成后,部分地段土体还有相当程度的固结下沉和流变变形,而其他一些地段的土体可能固结量及变形量不大或甚微,如此必然造成各部位隧道结构物相应地存在不均匀沉降和变形。其结果是引起各段结构间产生相互应力作用,并可能形成裂缝。这种结构破坏在隧道管壁连接处更为明显。
1.4 荷载变化及受力状态变化引起的破坏
这方面包括施工荷载变化及水土荷载变化。由于工程建设施工和环境水土的变化,地铁结构承受荷载相应发生变化,结构物各部分的应力状态随之变化,从而导致拉、压区及受弯区或剪应力区状态和范围都会有所变化。混凝土结构的耐久性与混凝土材料的孔隙率(或渗透性)关系密切,而其受力状态则能影响材料的渗透性。不同的应力状态将使混凝土孔隙率发生变化甚至产生裂缝。在拉应力区,材料的孔隙率大,渗透性也将明显提高,混凝土易于碳化,氯化物等侵蚀性物质也易于通过受拉区混凝土到达钢筋,从而引起钢筋锈蚀。前苏联曾有人通过试验证明,在无筋混凝土试件中(水灰比为0.47),当压应力约为0.7Rup(压应力极限强度)时,CO2气体的有效扩散系数可降低一个数量级;而当拉应力为0.7Rp(拉应力极限强度)时,则将增加1～2个数量级。另外,地下水运动及渗流耦合效应规律也将影响到土体及结构的应力应变和耐久性能。
2 耐久性评估与使用寿命预测
耐久性的预测和评估的方法有多种,分别为:基于经验或类比的预测法、快速试验的预测方法、相似模拟法、数学模型方法、专家系统法等。以上的方法均有其优缺点。本文将采用数学模型与试验方法结合的研究手段。要对地下工程进行耐久性评估与预测,首先应确定其耐久性破坏准则。一般仍可采用极限状态理论,即按承载能力极限状态或正常使用极限状态进行判断。考虑到整个工程的统一性,应综合各单一结构、构件失效准则等按系统失效准则进行分析,同时确定以单因素还是多因素交叉影响作为破坏模式。本文拟以研究单因素影响为基础。如逐一分析是否结构力学因素引起的受力变形过大或出现裂缝导致破坏,是否碳化或离子侵蚀引起的化学破坏占据主因,以及是否杂散电流腐蚀造成的破坏等,然后据此评判其使用寿命。同时拟以正交试验及综合可靠度考虑交叉影响。工程结构耐久性失效的极限状态方程常采用:Z(t)=R(t)-S(t)。此处亦可借鉴。该式表示结构抗力(R)、结构荷载(S)和功能函数(Z)均为时间的函数。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆S主要为水土压力和外荷载。R衰减是各种原因的综合结果。考虑S和R随时间的变化为随机过程,故以随机数学原理进行耐久性风险评估。由此,上述所讨论的4类引起地铁结构耐久性破坏的因素中,化学作用、杂散电流属于影响结构承载力R(衰减)的因素,流变固结、应力变化属于影响结构荷载S变化的因素。
2.1 按结构或力学因素考虑
若考虑结构或荷载因素破坏,本文拟主要采取理论分析结合数学模型进行研究。采用上文提到的工程结构耐久性失效的极限状态方程进行判断。若上述不均匀沉降变形或应力变化对混凝土结构造成的损伤破坏较大,则可主要考虑按这种损伤标准进行耐久性判断和寿命预测。
2.2 按化学腐蚀破坏考虑
若环境因素造成的化学腐蚀对破坏起主要作用,则可考虑按钢筋锈蚀状态进行评估和预测,主要采取试验、检测手段结合理论分析、模型假设方案进行。钢筋的锈蚀过程可分为3个阶段,即:①从浇筑混凝土到其碳化深度开始到达钢筋表面、使钢筋失去表面钝化膜并开始锈蚀(Cl-也开始对钢筋产生锈蚀作用);②自钢筋开始锈蚀到混凝土表面开始出现细微顺筋胀裂、剥落跞破坏现象;③钢筋大面积锈蚀,使地铁隧道墙体结构发生区域性破坏,导致钢筋锈蚀速度加快、钢筋截面迅速减小和结构不能安全使用。
2.3 结构耐久性可靠度分析
由上所述,实际情况下的结构抗力(R)和结构荷载(S)是一随机过程,则功能函数(Z)也为一随机过程:Z(t)=R(t)-S(t)<0,结构处于失效状态;=0,结构处于极限状态;>0,结构处于可靠状态。在耐久性分析中,R与时间过程有关,是一随机过程。R随时间的增长总体呈衰变趋势。影响R衰减的因素很多,因此,混凝土的R衰减是多因素影响机制。考虑多因素影响的耐久性研究方法目前较常用的有3种:多因素综合法,实测统计法,层次分析法。若只考虑单因素影响,则需通过试验归纳与理论分析的方式对第1节中提到的各种主要影响因素逐个进行分析,建立其随时间的变化规律及对结构耐久性的影响程度,即回归结构抗力(包括承载力、抗剪力、弯矩等)随时间的衰减曲线。这也是进行结构耐久性研究的基础,须结合试验方案进行。一般情况下,荷载随时间的变化而变化,应采用随机过程模型。荷载类型一般有3类:永久荷载,持续荷载和短期瞬时荷载。对于永久荷载,其随时间的变化很小,近似保持恒定的量值,仍可按现行标准经现场实测与计算分析取值;对于可变荷载(包括持续荷载和短期瞬时荷载),以随机过程或时间序列作为概率模型,一般多采用平稳随机过程。本文拟采用平稳二项随机过程模型,在综合分析总荷载效应时,将荷载样本函数模型转化为等时段的矩形波函数,将设计基准期改为耐久性设计目标使用期。
3 耐久性试验方案
固结沉降破坏、裂缝宽度形态等方面对耐久性的影响,主要以力学分析、理论假设方式进行,而应力变化状态下的化学腐蚀和杂散电流腐蚀拟结合试验分析。试验方案包括以下几方面:(1)碳化检测。测试现场取样端部试件的实际碳化状况,推算该环境条件下自然碳化速度系数。(2)快速碳化试验。试验分现场取样试件和自制试件分别进行。以验证试验(1)并建立联系;同时探求水灰比、水泥品种、温湿度对碳化的影响。(3)测试Cl-、SO2-4、Mg2+等在混凝土中的扩散速度,与碳化试验相比,以此求得碳化至钢筋界面时的离子的浓度积聚量,并建立快速试验与离子实际侵蚀速度的关系。(4)将钢筋置于试验(3)所求得的离子浓度的溶液中,测试钢筋电化学腐蚀过程。(5)杂散电流腐蚀试验。(6)应力状态下钢筋混凝土碳化情形(受压、弯曲受拉、不受力情形)。(7)应力状态下Cl-等扩散、渗透试验。(8)交叉影响正交试验。
4 防治措施及结语
为提高地铁墙体结构的耐久性能,应从设计、施工、使用管理等方面考虑各种耐久性破坏因素的破坏作用而采取得力措施。例如从设计开始就应引入耐久性概念,经过分析计算或一定的试验方案而采取消除不稳定荷载或不均匀沉降土体,或加强对混凝土、钢筋等材料的保护等切实可行的方案;在施工阶段,应按照耐久性要求严格施工,如钢筋的衬砌保护层一定要有足够厚度;又如,在含水地基中浇筑混凝土时,会出现靠土体侧混凝土被水土混入从而形成层状岩土样块体、影响混凝土质量和强度,因此如何提高浇筑施工质量是值得研究的;在使用阶段,也应有合理的管理方案和制度,断绝或尽量减少各种可能的有损地铁隧道耐久性的潜在威胁;并加强安全与耐久性检测,对某些指标进行长期监测以反馈工程使用状况信息,若出现危险信号及时进行处理。对于地铁隧道结构材料的防腐和防老化,已有如下一些措施可供采用:混凝土表面涂层,迷流收集网,合理厚度的保护层,钢筋的保护,钢筋阻锈剂,结构件的阴极保护,以及其它如注浆和通风除湿等。
参考文献
[1]高占学.隧道衬砌耐久性的研究[学位论文].上海:同济大学土木工程学院,2003:22
[2] 张群耀.用于地铁迷流测试的SDP-1电位记录仪.上海电力学院学报,1999(6):20～22
[3] 黄慷.水底盾构隧道结构耐久性可靠度理论及设计方法研究[学位论文].上海:同济大学土木工程学院,2004:91
论文作者:解维益
论文发表刊物:《基层建设》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/12
标签：耐久性论文; 结构论文; 荷载论文; 钢筋论文; 因素论文; 应力论文; 混凝土论文; 《基层建设》2017年第8期论文;