基于原位取樣的地下洞室噴射混凝土抗彎性能試驗

馬 雨 峰，黃 書 嶺，王 蘭 普，呂 風 英，孔 張 宇，何 軍

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 承德 068350； 2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點試驗室，湖北 武漢 430010)

混凝土是地下工程中的重要結構材料之一，在水電站地下廠房、隧洞等工程項目中被廣泛用作噴層支護材料。普通的混凝土抗拉強度低，在混凝土受彎時，往往會在受拉部位首先破壞，導致混凝土的抗彎強度較低[1]。地下工程的噴層支護結構一般會受到圍巖的法向荷載作用，當圍巖荷載不均勻分布時，相當于對噴層支護形成受彎作用。普通混凝土抗彎強度較低，使噴層支護結構容易出現破壞。為提高混凝土的抗彎強度，纖維材料被廣泛用于增加混凝土結構強度。相比于普通混凝土，纖維混凝土的抗拉強度、抗彎強度均有不同程度的提高，并且還有抗拉性能好、耐磨強度高、水泥親和性能好、壽命延長等特點[2]。目前較常見的纖維混凝土有鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、聚丙烯纖維混凝土等。關于纖維混凝土的抗彎性能研究也正成為熱點。

目前，關于纖維混凝土的抗彎性能的研究多集中在纖維材料對混凝土抗彎性能的改變方面。李英娜等[1]對18組鋼纖維摻量的混凝土進行了彎曲試驗，研究了鋼纖維摻量對混凝土抗彎性能的影響；孫補等[2]對不同等級的混凝土摻入不同比例的鋼纖維，研究了鋼纖維混凝土的抗彎等性能；李傳習等[3]、樊俊江等[4]研究了纖維類型對混凝土抗彎性能的影響；牛龍龍等[5]、黃琪[6]、侯蔚峰[7]、趙秋等[8]研究了鋼纖維摻量對混凝土抗彎強度等力學性能的影響；申強等[9]研究了鋼纖維端部形態對混凝土抗彎強度等力學性能的影響；孫舉鵬等[10]研究了鋼纖維形狀對混凝土抗彎性能的影響；黃偉等[11]、牛龍龍等[12]研究了纖維分布形式對混凝土抗彎強度等力學性能的影響。

目前，鋼纖維混凝土的應用研究非常廣泛，針對鋼纖維混凝土抗彎性能的研究也相對較多，取得了豐富成果，所采用的混凝土試件大多在室內根據試驗配比澆筑形成。但是，在實際工程中，施工工藝和施工質量等因素往往會對纖維混凝土的力學性能產生不同程度的影響。因此，采用工程現場取樣、室內切割加工制樣方法獲得的纖維混凝土試件，開展室內抗彎試驗分析，獲得的數據應更能反映纖維混凝土施作后的實際力學性能。本次研究在工程現場獲取噴混凝土塊樣并研究其抗彎強度，獲得的試驗結果一方面可用于工程施工和設計評價，另一方面也能為纖維混凝土抗彎性能研究提供一個新的思路。

1 試樣制備

河北豐寧抽水蓄能電站地下廠房洞室群所采用的噴層支護材料為鋼纖維混凝土。用于試件制備的噴混凝土全部取自洞室頂拱，即在噴混凝土開裂的部位進行撬挖得到。具體而言，制備試樣所需的噴射混凝土塊樣來自電站地下洞室群的主廠房、主變室和尾閘室的頂拱部位。在現場撬挖獲得大塊噴射混凝土后，將這些噴射混凝土塊樣專門保存，并選取可用于制作符合規范要求尺寸的塊樣運回實驗室。圖1為一現場獲取的噴射混凝土塊樣。

圖1 現場取用的大塊噴混凝土Fig.1 Bulk shotcrete taken from site

噴射混凝土塊樣運至室內后，根據GB50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》附錄N的規范要求[13]，將塊樣切割成75 mm×125 mm×600 mm的小梁試樣，切割后的試件立即置于水中養護3 d以上，得到如圖2所示的試件。

2 試驗過程

根據GB50086-2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》附錄N的規定[13]，采用跨度為450 mm的四點彎曲試驗來研究混凝土小梁試樣的抗彎強度，四點彎曲試驗原理如圖3所示。

圖2 切割噴射混凝土抗彎試件Fig.2 Cutting shotcrete specimen for bending test

圖3 噴射混凝土小梁四點彎曲試樣示意[13](尺寸單位：mm)Fig.3 Schematic diagram of four-point bending test of shotcrete specimen

四點彎曲試驗在剛性試驗機上完成，該試驗裝置的剛度能夠有效地控制梁中撓度。在試驗裝置的支座處和加載點之間，設置有半徑為10～20 mm的圓棒，用于提供點支撐和點荷載，該噴射混凝土抗彎強度試驗平臺見圖4。在小梁試樣加載過程中，實時測量試樣的跨中撓度。當試樣的跨中撓度小于0.5 mm時，梁跨中變形速度應控制在相對較小區間，本次試驗設置為0.2～0.3 mm/min；當試樣的跨中撓度大于0.5 mm時，梁跨中變形速率可適當放大，本試驗設置為約1.0 mm/min。試驗過程中，應連續記錄小梁試樣的跨中荷載-撓度曲線，當跨中撓度達4.0 mm時，認為試件完全折斷，即可結束彎曲試驗。

圖4 噴射混凝土抗彎強度測試平臺Fig.4 Platform for bending strength test of shotcrete

3 試驗結果

3.1 破壞形態和撓度-荷載曲線

在試驗加載過程中，小梁試樣首先在下緣中部出現近似豎直向上的裂縫。該裂縫隨著加載逐步向上擴展，方向總體指向上。隨著裂縫發展，試樣承載能力不斷減弱，使其抗彎強度持續降低。小梁試件最終破裂的典型形態如圖5所示。理論上，在加載過程中，小梁試樣下緣應該首先會產生平行于小梁軸線方向的拉應力。實際觀察發現，試驗過程中試樣下緣的破裂確為張拉型破裂引起，即混凝土試樣的抗彎強度很大程度上由混凝土的抗拉強度決定。從形態上看，雖然破裂面延展總體為近似豎直方向，但局部破裂面并不是完全豎向分布，這是由于混凝土的破裂方向會受到局部鋼纖維的加固效應影響。

圖5 小梁試件典型截面破壞形態Fig.5 Typical failure pattern of trabecular specimen

一般來講，含有鋼纖維的試樣在混凝土開裂后，因為有鋼纖維的連接和拉結效應，仍能夠承受一定的荷載，但荷載的比例非常小。鋼纖維的拉結效應可以在試樣的荷載-撓度曲線體現，如圖6所示，試樣在混凝土開裂后，仍有一定的殘余強度。

圖6 噴射混凝土抗彎試件典型的撓度-荷載曲線Fig.6 Typical deflection-load curves of bending test specimens

3.2 抗彎強度

混凝土梁的抗彎強度可以根據撓度-荷載曲線來計算，公式為[13]

(1)

式中：fC為噴射混凝土抗彎強度標準值；P0.1為噴射混凝土最初峰值荷載，即曲線中的直線段平移0.1 mm撓度值的那條斜線與荷載-撓度曲線相交的點；L為彎曲試驗跨度，本次試驗為450 mm；B為梁寬度，本試驗為125 mm；D為梁厚度，本次試驗為75 mm。

根據式(1)，計算獲得噴射混凝土小梁試樣的抗彎強度結果見表1。結果表明：噴射混凝土小梁試樣中，取自主廠房試樣的抗彎強度分布在2.988～3.786 MPa，平均值為3.576 MPa；取自主變室的試樣其抗彎強度分布在3.059～3.597 MPa，平均值為3.299 MPa；取自尾閘室部位的試樣抗彎強度分布在2.935～2.364 MPa之間，平均值為2.650 MPa。可見，3個洞室頂拱的噴射混凝土試樣抗彎強度關系為：主廠房>主變室>尾閘室。

表1 噴射混凝土抗彎強度試驗結果Tab.1 Test results of bending strength of shotcrete

3.3 殘余抗彎強度

根據噴射混凝土或噴射鋼纖維混凝土支護變形等級要求[13]，基于荷載-撓度曲線圖，可確定試樣彎曲試驗撓度分別為0.5，1.0，2.0 mm和4.0 mm時的殘余抗彎強度。然后，按照規范GB50086-2015附錄P的相關規范，可查得各試樣的殘余抗彎強度等級，結果見表2。

變形等級是指不同圍巖與工作條件對噴射混凝土支護層變形的要求，所測試樣的噴射混凝土變形等級均很低。噴射混凝土的韌性高低可用其殘余抗彎強度的等級表示，等級值越高表明其韌性越高，等級1的噴射混凝土韌性最低。從表2可知，噴射混凝土的韌性均很低，但主廠房和主變室區域噴射混凝土的殘余抗彎強度(等級2)比尾閘室區域噴射混凝土的殘余抗彎強度等級要高(等級1)，故主廠房和主變室的韌性也較高。

表2 噴射混凝土殘余抗彎強度試驗結果Tab.2 Test results of residual bending strength of shotcrete

3.4 鋼纖維含量與抗彎強度關系

將試驗后的噴射混凝土抗彎試樣分組稱重。然后利用室內砂石骨料破碎機，將試樣按先粗、后細的步驟進行破碎處理。最后利用磁鐵石，將鋼纖維從破碎的混凝土殘渣中篩選出來。對篩選出來的鋼纖維進行稱重，并計算鋼纖維占噴射混凝土試件的百分比，從而獲得鋼纖維含量與抗彎強度、殘余抗彎強度的對應關系如表3所示。應說明的是，為降低鋼纖維含量測試結果的離散性，實際測試時，將取自同一部位的試樣視為同一組鋼纖維含量測試對象，因此表3中的鋼纖維含量數據少于表1中的抗彎強度數據。

從試驗結果可以看出，取自主廠房的噴射混凝土試樣鋼纖維含量分布在0.26%～0.35%之間，取自主變室和尾閘室的噴射混凝土鋼纖維含量分別為0.24%和0.22%。根據鋼纖維含量與抗彎強度的對應關系，可以獲得如圖7所示的散點關系圖。這里用線性函數來擬合鋼纖維含量與抗彎強度的散點關系圖，可以獲得如下擬合關系式：y=6.09x+1.668 3

表3 鋼纖維含量與其他性能指標對應關系Tab.3 Relationship between volume content and other performance indices of steel fiber

圖7 鋼纖維含量與抗彎強度關系曲線Fig.7 Relation curve of steel fiber volume content and bending strength of shotcrete

從圖7可見，擬合關系曲線與散點關系圖的對應趨勢較好。這表明，隨著鋼纖維含量的增加，噴射混凝土的抗彎強度會提高，兩者間的線性關系較為明顯。但是，考慮到噴射混凝土的抗彎強度實際上還與水泥標號、配比以及施作方法(例如濕噴還是潮噴)等有關，所以圖7數據點和擬合關系曲線之間還存在著一定的離散性，即噴混凝土抗彎強度也同時會受到其他因素的影響。

4 不同試樣制作方法獲得的抗彎強度對比

本文采用現場原位取樣方法制作混凝土試件用于抗彎強度測試。搜集整理既有成果，對比不同試樣制作方法獲得的數據，并列入表4。其中，文獻[14-20]采用澆筑成型的方法制作試樣，同時也列出了混凝土試樣的抗壓強度用于對比參考。另外，繪制不同試樣制作方法獲得的抗彎強度與鋼纖維體積含量的關系圖(見圖8)，可知采用原位取樣方法獲得的抗彎強度值總體上要小于采用澆筑成型的方法。

分析其原因，是由于原位取樣獲得的試件在取樣前處于洞室圍巖表面的真實受力狀態，噴混凝土結構在圍巖變形、錨固支護和爆破振動效應的綜合影響下，局部區域的應力狀態可能已進入塑性屈服階段，因此撬挖解除約束后的噴混凝土塊樣存在殘余變形和內部裂紋，導致結構承載力降低。因此，采用原位取樣方法獲得試件能較真實地反映試件的實際工作性態。

表4 不同試樣制作方法的試驗結果對比

圖8 不同試樣制作方法獲得的抗彎強度與鋼纖維體積含量的關系Fig.8 Relationship between the bending strength and volume content of steel fiber for samples prepared by different methods

5 結 論

本文采用從河北豐寧抽水蓄能電站地下廠房洞室頂拱撬挖的噴射混凝土塊樣，進一步在室內試驗室加工，獲得用于抗彎性能測試的試樣。

(1) 噴混凝土試樣在四點彎曲試驗中呈現的破壞實際上是材料拉裂，表明噴混凝土的抗彎強度與混凝土本身的抗拉強度關系緊密。抗彎強度結果分析表明，取自于主廠房區域的噴射混凝土平均值最高，主變室的次之，尾閘室的最低。取自于主廠房、主變室和尾閘室3個洞室的試樣殘余抗彎強度也表現出同樣特征。

(2) 鋼纖維含量與噴射混凝土抗彎強度的線性關系較為明顯，也是導致主廠房所取試樣獲得的抗彎強度相對較高的原因之一。

(3) 與既有文獻的混凝土抗彎強度測試成果對比，基于原位取樣獲得的混凝土抗彎強度值在整體上要小于采用澆筑成型方法制作試樣的抗彎強度。其原因是在原位獲取的混凝土塊樣在圍巖變形、錨固支護和爆破振動效應的綜合影響下，力學性能會出現下降，因此原位取樣方法獲得試件更能反映地下洞室噴混凝土結構的實際工作性態。