本发明属于隧道工程，具体涉及一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样、其制备方法与应用。
背景技术：
1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2、目前进行隧道结构的数值模拟时，往往将衬砌结构看作一个整体，默认初衬与二衬之间位移连续，有学者在研究隧道初衬-二衬界面的剪切特性时，接触面参数的选值方式也不明确。为尽可能真实地反映隧道初衬-二衬界面的剪切力学特性，为工程数值计算提供技术支持，需要制备考虑不同因素的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样。
3、发明人研究发现现有的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样制备方法中至少存在以下不足：
4、(1)现有的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样制样方法中，对防水层大多只考虑防水膜材料，忽视了传统隧道工程中普遍使用的无纺土工布与防水板材料。
5、(2)以往模拟喷射混凝土的粗糙度时，大多使用喷枪直接在模具里或者模板上喷射，然后切割取样，得到最接近实际的粗糙度。但是这种方法得到的粗糙度具有极大的不确定性，最终得到的试样粗糙度也各不相同，无法保证试样的一致性，试样的粗糙度不一样，相同法压和剪切速率下不同试样的试验结果不同，不同法压和剪切速率下的试验规律不明显。且制作粗糙度时不可使用雕刻机对初衬混凝土块表面进行雕刻，雕刻得到的粗糙表面可见清晰的石子，与实际喷射混凝土表面的凸出泥浆差异较大，得到的剪切强度也比实际更大。
6、已有研究表明，防水膜的厚度以及喷射混凝土的粗糙度等控制因素对其剪切力学特性有一定影响。因此，有必要研究防水层为无纺土工布和防水板时隧道初衬-二衬混凝土界面的剪切特性，设计一种综合考虑防水层、混凝土粘结力和喷射混凝土粗糙度的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样制备方法。
技术实现思路
1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样、其制备方法与应用，本发明制作的试样基本相同，试样之间离散性很小，能够比较真实地模拟现场初衬混凝土与二衬混凝土之间的界面状态。
2、为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
3、本发明的第一个方面，提供一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，包括如下步骤：
4、采集初衬喷射混凝土的表面形貌数据，基于所述表面形貌数据制备反映初衬喷射混凝土表面形貌的模型隔板；
5、利用所述模型隔板制备初衬混凝土试样，在所述初衬混凝土试样反映初衬喷射混凝土表面形貌的面上固定防水层材料；防水层材料竖直设置，一侧为初衬混凝土试样，在防水层材料另一侧浇筑二衬混凝土，养护后得到所述隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样。
6、防水膜为防水材料的一种，可单独作为防水层。无纺土工布与防水板为另一种防水层材料。制备隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样时，忽视无纺土工布，会影响直剪试验施加法向应力得到的剪切面法向刚度，导致得到的法向刚度变小；忽视无纺土工布，同时也会影响防水板与初衬混凝土块的粘贴效果，容易使防水板被粗糙表面戳破。且制备隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样时，防水板同样不可忽视，因为剪切面主要是防水板与二衬混凝土的粘结面。为了制备比较真实地模拟现场初衬混凝土与二衬混凝土之间的界面状态的直剪试样，本发明提供了一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，制备时考虑了初衬喷射混凝土表面粗糙度，以及二衬混凝土水泥浆与防水层材料界面的粘结力。所得试样基本相同，试样之间离散性很小。且能够比较真实地模拟现场初衬混凝土与二衬混凝土之间的界面状态，能够进行隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样在不同法向应力和剪切速率条件下的直剪试验，揭示界面的剪切特性。
7、因为浇筑混凝土需要对模具中混凝土的上表面进行人工抹平处理，造成上表面不水平，本发明通过将初衬混凝土试样和二衬混凝土试块侧向放置进行浇筑，保证直剪试样施加法向应力的两个上下表面是水平的。
8、在本发明的一些实施例中，在进行采集初衬喷射混凝土的表面形貌数据之前，首先进行配合比试验，也可直接采用工程现场的喷射混凝土和二衬混凝土的配合比。所述配合比试验包括细骨料和粗骨料的含水率试验和混凝土标准抗压强度试验。确定好试样的配合比后，再采集初衬喷射混凝土的表面形貌数据，制备模型隔板。
9、在本发明的一些实施例中，采集初衬喷射混凝土的表面形貌数据包括如下步骤：
10、通过三维扫描初衬喷射混凝土的表面，得到表面形貌数据。
11、优选的，采用三维扫描仪进行三维扫描，所述三维扫描仪的单帧精度不大于0.1mm，单帧扫描范围不小于100mm×100mm，输出数据可用于3d打印。
12、在本发明的一些实施例中，制备反映初衬喷射混凝土表面形貌的模型隔板包括如下步骤：
13、基于所述表面形貌数据，通过3d打印技术制备反映初衬喷射混凝土表面形貌的模型隔板。
14、优选的，所述模型隔板的尺寸与所述隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的剪切面一致。制作模型隔板只是为了制作初衬混凝土试样。模型隔板的厚度并无限制，可以与防水层材料的厚度一致，也可不一致。在实际生产过程中，3d打印厂家告知打印树脂材料的模型厚度最小应有5mm，刚好本发明实施例中防水层材料的厚度为5mm(1.5mm的防水板+3.5mm的无纺土工布)，所以在实际试验中模型隔板的厚度与防水层材料厚度一致。
15、本发明使用手持式三维扫描仪获取现场初衬喷射混凝土的表面形貌，选取俯视图大小与直剪试样剪切面一致的区域绘制出隔板模型，通过3d打印技术制作成型，得到模型隔板。所述打印材料应具有一定硬度，保证在外力作用下只发生轻微变形。
16、在本发明的一些实施例中，利用所述模型隔板制备初衬混凝土试样包括如下步骤：
17、将所述模型隔板固定在混凝土模具中，并浇筑初衬混凝土，脱模后，得到初衬混凝土试样。
18、优选的，所述混凝土模具为可拆卸式立方体模具。
19、优选的，所述固定包括如下步骤：
20、拆卸混凝土模具，在混凝土模具的底板上竖直固定所述模型隔板，组装混凝土模具，模型隔板将混凝土模具分割成两个区域，在模型隔板的两侧浇筑初衬混凝土，脱模后，得到初衬混凝土试样。在模型隔板两侧浇筑混凝土是为了得到粗糙面相互契合的两个混凝土块，用于初衬混凝土块与防水层材料的固定。因为固定防水层材料的方法是将防水层材料放在这两个混凝土块中间，使用压力机加压，使防水层材料与初衬混凝土的粗糙表面贴合。
21、优选的，可采用水性胶水将模型隔板固定在混凝土模具的底板上。所述水性胶水的粘结厚度小，可忽略不计，不影响初衬混凝土试样的制备。
22、本发明在使用胶水固定模型隔板时，首先拆下混凝土模具的底板，使用记号笔标出底板中线，将模型隔板的喷射混凝土表面形貌一侧紧靠中线，使用胶水固定，模型隔板竖直固定在混凝土模具的底板上，组装好混凝土模具后，模具被模型隔板分隔为两个区域。如上所述，可在模型隔板的两侧进行浇筑，养护2-3天至混凝土块变硬，进行脱模，可得到两个能相互契合的混凝土块，其中一个混凝土块粗糙表面形貌与现场喷射混凝土一致，作为初衬混凝土试样。
23、在本发明的一些实施例中，所述防水层材料为土工布与防水板。优选的，所述土工布为无纺土工布，重量为390-410g/m2，优选为400g/m2。优选的，所述防水板的材质为eva(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料)，厚度为1-2mm，优选为1.5mm。上述尺寸与材质的土工布与防水板接近实际工程中应用的防水层材料，所得试样能够更好的进行直剪试验。
24、所述固定防水层材料包括如下步骤：
25、固定土工布与防水板，再将土工布固定在初衬混凝土试样上，防水板与二衬混凝土接触。
26、优选的，采用胶水固定土工布与防水板、土工布和初衬混凝土试样。
27、进一步优选的，所述胶水的粘度不小于2mpa·s，剪切强度不小于10mpa，拉伸强度不小于20mpa。
28、进一步优选的，所述胶水可选为水性胶水，如氰基丙稀酸酯粘合剂。将1.5mm厚eva材质防水板(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物材料)和400g/m2无纺土工布裁剪成与试样剪切界面同样大小后，使用水性胶水(氰基丙稀酸酯粘合剂)粘合防水板与无纺土工布，再将胶水涂抹在初衬混凝土试样表面，并使防水层材料置于两个契合的混凝土块中间，其中无纺土工布与初衬混凝土试样接触，进行压合，防水层材料贴合在初衬混凝土试样表面并被胶水粘住，且固定防水层材料前初衬混凝土试样基面的平整度符合要求，固定防水层材料后防水板没有明显的褶皱、绷弦现象。
29、在本发明的一些实施例中，防水层材料上浇筑二衬混凝土包括如下步骤：
30、初衬混凝土试样与防水层材料固定后，放置在混凝土模具的一侧，初衬混凝土试样的混凝土面紧靠模具侧壁，防水层材料竖直设置在混凝土模具中间位置，然后在防水层材料另一侧浇筑二衬混凝土，使水泥浆液与防水板接触，养护后，脱模，得到所述隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样；
31、所述混凝土模具为可拆卸式立方体模具。
32、在本发明的一些实施例中，所述防水层材料的高度应尽量控制为混凝土模具边长的1/2。如图3所示，防水板和土工布构成防水层材料，防水层材料位于c30混凝土与c25混凝土之间，高度大约在试样整体高度的1/2处，即防水层材料在隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样整体高度的1/2处。
33、在本发明的一些实施例中，所述养护为在标准养护室中养护25-30天。
34、优选的，养护2-3天后脱模，然后继续在标准养护室或标准养护箱中养护即可。
35、本发明的第二个方面，提供一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样，其通过上述的制备方法制得。
36、本发明的试样制作完成后，进行直剪试样，设置不同的法向应力和剪切速率，通过试验获取不同加载条件下的隧道初衬-二衬混凝土界面的剪切性能参数。
37、本发明的第三个方面，提供一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试验，所述隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试验的试样为上述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样；
38、设置不同的法向应力和剪切速率，通过试验获取不同加载条件下的隧道初衬-二衬混凝土界面的剪切性能参数。
39、本发明的有益效果为：
40、本发明所提供的一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样制备方法，在制备直剪试样时，考虑了喷射混凝土表面粗糙度以及二衬混凝土水泥浆与防水层材料界面的粘结力，制作的试样基本相同，试样之间离散性很小。因此，能够比较真实地模拟现场初衬混凝土与二衬混凝土之间的界面状态，能够进行隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样在不同法向应力和剪切速率条件下的直剪试验，揭示界面的剪切特性。
1.一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，其特征在于，采集初衬喷射混凝土的表面形貌数据包括如下步骤：
3.如权利要求1所述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，其特征在于，制备反映初衬喷射混凝土表面形貌的模型隔板包括如下步骤：
4.如权利要求1所述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，其特征在于，利用所述模型隔板制备初衬混凝土试样包括如下步骤：
5.如权利要求4所述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，其特征在于，所述固定包括如下步骤：
6.如权利要求1所述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，其特征在于，所述防水层材料为土工布与防水板；
7.如权利要求1所述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，其特征在于，防水层材料上浇筑二衬混凝土包括如下步骤：
8.如权利要求1所述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样的制备方法，其特征在于，所述养护为在标准养护室中养护25-30天。
9.一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样，其特征在于，其通过权利要求1-8任一所述的制备方法制得。
10.一种隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试验，其特征在于，所述隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试验的试样为权利要求9所述的隧道初衬-二衬混凝土界面直剪试样；
