铁路隧道排水板凸壳顶部刺破强度的研究

铁路隧道排水板凸壳顶部刺破强度的研究摘要：在《铁路隧道排水板》中，凹凸排水板的刺破强度试验仅针对平面部分的刺破，新版的《铁路隧道防排水材料第3部分：防排水板》中针对排水板的刺破增加了凸壳顶部的刺破强度要求，更全面的反映出排水板的受力结构。在实际试验中发现，按照规范要求使用的顶针及压盘无法达到预期的试验结果。针对凸壳顶部刺破强度的研究，有利于完善试验器材，更好的指导试验，提高试验效率。关键词：凹凸排水板、凸壳刺破强度、拧紧程度、表面粗糙度、倒角引言隧道工程防水一直是难以有效解决的工程难题，实际工程中通常采用防水平板做衬垫隔离挡水、防水，由于二次衬砌模筑钢筋混凝土的破坏，多数工程出现渗漏水，严重影响工程安-全和耐久性。凹凸排水板将传统的截、堵、挡水的老工艺改进为先进的先排后防的工艺，使隧道混凝土内墙在任何环境下不受积水的压力影响。针对现行的凹凸排水板《铁路隧道防排水材料第3部分：防排水板》中提出了将排水版和土工布通过粘接带结合为一个整体，大大减少了施工工艺程序，同时也对其中的排水板提出了更高的要求。通过大量的试验发现规范要求的刺破强度的钉杆无法满足试验要求，通过试验和研究，对钉杆和压盘做出了改进并得到了规范编写单位铁科院集团公司铁道建筑研究所的认可，为完善排水板凸壳顶部刺破强度试验做出了贡献。1原材料介绍凹凸排水板是一种新型的建筑和土工材料，采用高密度聚乙烯（HDPE）为主要原材料，具有较高的柔韧性、抗拉抗压强度以及耐磨性和耐穿刺顶破等性能；化学稳定性好，具有耐酸碱和老化等性能，广泛应用于地铁、隧道等防排水工程。见图1。在《铁路隧道排水板》TB/T3354-2014中，对于厚度1.2mm的排水板，只要求了刺破强度≥300N。而在实际施工当中，排水板主要承受来自衬砌混凝土的纵向压力，受力部位分别包括平面部分和凸壳部分。针对这两部分的受力情况和受力大小，《铁路隧道防排水材料第3部分：防排水板》中多出了对凸壳顶部的刺破强度的要求，要求≥600N。这就对排水板的性能提出了更高的要求。图12试验仪器设备及试验方法2.1采用拉伸速度可调，精度为1%，并备有引伸计和反向器的电子拉力试验机，内径44.5mm的环形夹具，刚性顶杆长度20mm直径8mm。2.2试验步骤：①将试样放入环形夹具内，拧紧夹具②将夹具放在加压装置上，顶破速率设置为100mm/min③开机，记录钉刺过程中的最大压力值④取5块试样的平均值作为刺破强度试验结果。凸壳顶部刺破强度测定示意图见图2。图23展开试验与研究3.1表面粗糙度分析排水板凸壳顶部刺破强度的设计原理就是需要在凸壳受到外力的挤压时向外延伸从而将物品包裹进去，这就需要在试验过程中将前20mm长直径为8mm的顶针包裹进去，进而让后半部分直径较宽的顶针吃力，这样才能达到设计要求的力值。然而在使用规范要求的顶针进行试验时却发现，还为待直径8mm部分的顶针完全被排水板包裹进去时，排水板就已经被刺破了。在我们进行了40次试验全部失败后，厂家那边寄来了他们的专用顶针，经过对比分析，除了表面多一点锈迹以外，尺寸大小都和规范一样，于是用厂家的顶针也进行了40次试验，发现有6次能达到试验要求，还有34次也失败了。通过总结，会不会是顶针的锈迹在试验过程中增大了与排水板之间的摩擦，影响了试验结果，使其不会太早被刺破。于是加工了不同表面粗糙度的顶针进行试验，试验结果对比见图3.表面粗糙度（μm）试验次数符合要求次数≤1.64021.6～3.24063.2～6.34086.3～12.5403412.5～16401916-32407图3通过上图可以得知，在顶针表面接近光滑的时候即表面粗糙度≤1.6μm时，大部分试验结果无法满足规范要求，随着表面粗糙度的增加，试验结果符合要求的次数也越来越多，这就证实了表面粗糙度确实对排水板凸壳顶部刺破产生了影响。然而随着粗糙度的不断增大，试验符合要求的次数却又成下降趋势。经分析得知，表面粗糙度的增加确实增加了与排水板表面的摩擦，随着粗糙度的继续增大，虽然摩擦力增大了，但是相对的接触面积却变小了，这就导致了粗糙度过大，试验结果符合要求的次数却越来越少。因此由图可知，凸壳顶部刺破强度的顶针最适合的表面粗糙度范围在6.3～12.5μm之间。3.2压盘安装分析虽然改善表面粗糙度能提高试验的成功率，但也不能保证试验100%符合要求，针对其中失败的样品我们进行了分析。排水板凸壳顶部刺破强度试验的安装不同于防水板。排水板安装采用圆形夹具，见图4。因为防水板是平的，在安装过程中可以直接宁紧，而排水板呈凹凸状，具有一定的起伏高度，采用表面粗糙度为6.3～12.5μm的顶针，通过对不同的拧紧程度进行试验得到如下数据，见图5。图4拧紧程度（夹具距试样高度mm）试验次数符合要求次数7±0.24006±0.240275±0.240404±0.240343±0.24031图5通过试验对比发现，排水板本身凸壳高度为10mm，当拧紧程度为距试样高度为6、7mm时，即拧紧比较松的时候，在顶破试验过程中，会导致排水板从夹具中直接被顶针带出来而不会刺破导致试验失败，而当拧紧程度为距试样高度为3、4mm时，即拧的过紧时，又会产生排水板在安装过程中被圆形夹具过度挤压而受力展开，这样导致了接触面过于紧绷，在顶针刺入的一瞬间很容易造成击穿，同样导致试验失败，只有在拧紧高度为5mm时，能保证试验的合格率为100%。其次，在凸壳顶破过程中对中也起着极其重要的作用。如果顶针没有对准凸壳中心而是刺向凸壳的边缘，由于凸壳的表面厚度不一致，边缘部分往往要比顶端薄弱，这就会导致凸壳提早被刺破，试验失败。3.3顶杆端部倒角的影响在做刺破强度试验时，包括土工布防水板等材料都会对顶杆的直径、长度和倒角有一定的要求，排水板也不例外。《铁路隧道防排水材料第3部分：防排水板》Q/CR562.3-2018中对排水板顶针的要求为直径8mm、长度20mm，并未对顶杆的倒角做出具体的要求。于是加工了三种不同倒角度数的顶杆进行试验，试验结果对比见图7。倒角度数（°）试验次数符合要求次数符合要求结果的平均力值（N）04036824304031688454040806图7经过分析得知，适当的圆滑的倒角有利于减缓顶杆对排水板的冲击。当采用未经倒角处理的顶杆（即倒角度数为0°）对排水板进行刺破试验时，由于边缘比较锋利，时常会将排水板割破而导致试验失败。当采用倒角为30°时，由于倒角度数过小导致顶杆端头过尖而会提早将排水板刺破，就算部分样品能够合格，也会造成试验结果数据偏低。而当采用倒角为45°的顶杆时，不仅试验成功率高，并且试验结果的数据也和没有倒角力值基本相近。4结论影响凹凸排水板凸壳顶部的刺破强度试验的因数有很多，除了规范给出的刺破速率，顶针直径以及外在环境因数外，还包扩了顶针的表面粗糙度，压盘的拧紧程度，刺破过程中的对中以及顶针的倒角问题。通过对比试验和分析，完善了排水板凸壳顶部刺破试验时的具体要求，并得到了铁科院集团公司铁道建筑研究所的认可并对《铁路隧道防排水材料第3部分：防排水板》Q/CR562.3-2018中的凸壳顶部刺破强度检测进行了补充，包括明确了压盘结构和试验装置组合，“拧紧”程度明确为“将试样放入环形夹具内，自然放平，具至试样高度为（5±0.2）mm”，顶杆的表面粗糙度为（6.3～12.5）μm，顶杆端部采用平头倒角，倒角度数为45°。对今后凹凸排水板凸壳顶部刺破试验具有指导性作用。参考文献[1]Q/CR562.3-2018铁路隧道防排水材料第3部分：防排水板.[2]TB/T3360.1-