基于原位取样的地下洞室喷射混凝土抗弯性能试验

马 雨 峰，黄 书 岭，王 兰 普，吕 风 英，孔 张 宇，何 军

(1.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北 承德 068350； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点试验室，湖北 武汉 430010)

混凝土是地下工程中的重要结构材料之一，在水电站地下厂房、隧洞等工程项目中被广泛用作喷层支护材料。普通的混凝土抗拉强度低，在混凝土受弯时，往往会在受拉部位首先破坏，导致混凝土的抗弯强度较低[1]。地下工程的喷层支护结构一般会受到围岩的法向荷载作用，当围岩荷载不均匀分布时，相当于对喷层支护形成受弯作用。普通混凝土抗弯强度较低，使喷层支护结构容易出现破坏。为提高混凝土的抗弯强度，纤维材料被广泛用于增加混凝土结构强度。相比于普通混凝土，纤维混凝土的抗拉强度、抗弯强度均有不同程度的提高，并且还有抗拉性能好、耐磨强度高、水泥亲和性能好、寿命延长等特点[2]。目前较常见的纤维混凝土有钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土等。关于纤维混凝土的抗弯性能研究也正成为热点。

目前，关于纤维混凝土的抗弯性能的研究多集中在纤维材料对混凝土抗弯性能的改变方面。李英娜等[1]对18组钢纤维掺量的混凝土进行了弯曲试验，研究了钢纤维掺量对混凝土抗弯性能的影响；孙补等[2]对不同等级的混凝土掺入不同比例的钢纤维，研究了钢纤维混凝土的抗弯等性能；李传习等[3]、樊俊江等[4]研究了纤维类型对混凝土抗弯性能的影响；牛龙龙等[5]、黄琪[6]、侯蔚峰[7]、赵秋等[8]研究了钢纤维掺量对混凝土抗弯强度等力学性能的影响；申强等[9]研究了钢纤维端部形态对混凝土抗弯强度等力学性能的影响；孙举鹏等[10]研究了钢纤维形状对混凝土抗弯性能的影响；黄伟等[11]、牛龙龙等[12]研究了纤维分布形式对混凝土抗弯强度等力学性能的影响。

目前，钢纤维混凝土的应用研究非常广泛，针对钢纤维混凝土抗弯性能的研究也相对较多，取得了丰富成果，所采用的混凝土试件大多在室内根据试验配比浇筑形成。但是，在实际工程中，施工工艺和施工质量等因素往往会对纤维混凝土的力学性能产生不同程度的影响。因此，采用工程现场取样、室内切割加工制样方法获得的纤维混凝土试件，开展室内抗弯试验分析，获得的数据应更能反映纤维混凝土施作后的实际力学性能。本次研究在工程现场获取喷混凝土块样并研究其抗弯强度，获得的试验结果一方面可用于工程施工和设计评价，另一方面也能为纤维混凝土抗弯性能研究提供一个新的思路。

1 试样制备

河北丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群所采用的喷层支护材料为钢纤维混凝土。用于试件制备的喷混凝土全部取自洞室顶拱，即在喷混凝土开裂的部位进行撬挖得到。具体而言，制备试样所需的喷射混凝土块样来自电站地下洞室群的主厂房、主变室和尾闸室的顶拱部位。在现场撬挖获得大块喷射混凝土后，将这些喷射混凝土块样专门保存，并选取可用于制作符合规范要求尺寸的块样运回实验室。图1为一现场获取的喷射混凝土块样。

图1 现场取用的大块喷混凝土Fig.1 Bulk shotcrete taken from site

喷射混凝土块样运至室内后，根据GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》附录N的规范要求[13]，将块样切割成75 mm×125 mm×600 mm的小梁试样，切割后的试件立即置于水中养护3 d以上，得到如图2所示的试件。

2 试验过程

根据GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》附录N的规定[13]，采用跨度为450 mm的四点弯曲试验来研究混凝土小梁试样的抗弯强度，四点弯曲试验原理如图3所示。

图2 切割喷射混凝土抗弯试件Fig.2 Cutting shotcrete specimen for bending test

图3 喷射混凝土小梁四点弯曲试样示意[13](尺寸单位：mm)Fig.3 Schematic diagram of four-point bending test of shotcrete specimen

四点弯曲试验在刚性试验机上完成，该试验装置的刚度能够有效地控制梁中挠度。在试验装置的支座处和加载点之间，设置有半径为10～20 mm的圆棒，用于提供点支撑和点荷载，该喷射混凝土抗弯强度试验平台见图4。在小梁试样加载过程中，实时测量试样的跨中挠度。当试样的跨中挠度小于0.5 mm时，梁跨中变形速度应控制在相对较小区间，本次试验设置为0.2～0.3 mm/min；当试样的跨中挠度大于0.5 mm时，梁跨中变形速率可适当放大，本试验设置为约1.0 mm/min。试验过程中，应连续记录小梁试样的跨中荷载-挠度曲线，当跨中挠度达4.0 mm时，认为试件完全折断，即可结束弯曲试验。

图4 喷射混凝土抗弯强度测试平台Fig.4 Platform for bending strength test of shotcrete

3 试验结果

3.1 破坏形态和挠度-荷载曲线

在试验加载过程中，小梁试样首先在下缘中部出现近似竖直向上的裂缝。该裂缝随着加载逐步向上扩展，方向总体指向上。随着裂缝发展，试样承载能力不断减弱，使其抗弯强度持续降低。小梁试件最终破裂的典型形态如图5所示。理论上，在加载过程中，小梁试样下缘应该首先会产生平行于小梁轴线方向的拉应力。实际观察发现，试验过程中试样下缘的破裂确为张拉型破裂引起，即混凝土试样的抗弯强度很大程度上由混凝土的抗拉强度决定。从形态上看，虽然破裂面延展总体为近似竖直方向，但局部破裂面并不是完全竖向分布，这是由于混凝土的破裂方向会受到局部钢纤维的加固效应影响。

图5 小梁试件典型截面破坏形态Fig.5 Typical failure pattern of trabecular specimen

一般来讲，含有钢纤维的试样在混凝土开裂后，因为有钢纤维的连接和拉结效应，仍能够承受一定的荷载，但荷载的比例非常小。钢纤维的拉结效应可以在试样的荷载-挠度曲线体现，如图6所示，试样在混凝土开裂后，仍有一定的残余强度。

图6 喷射混凝土抗弯试件典型的挠度-荷载曲线Fig.6 Typical deflection-load curves of bending test specimens

3.2 抗弯强度

混凝土梁的抗弯强度可以根据挠度-荷载曲线来计算，公式为[13]

(1)

式中：fC为喷射混凝土抗弯强度标准值；P0.1为喷射混凝土最初峰值荷载，即曲线中的直线段平移0.1 mm挠度值的那条斜线与荷载-挠度曲线相交的点；L为弯曲试验跨度，本次试验为450 mm；B为梁宽度，本试验为125 mm；D为梁厚度，本次试验为75 mm。

根据式(1)，计算获得喷射混凝土小梁试样的抗弯强度结果见表1。结果表明：喷射混凝土小梁试样中，取自主厂房试样的抗弯强度分布在2.988～3.786 MPa，平均值为3.576 MPa；取自主变室的试样其抗弯强度分布在3.059～3.597 MPa，平均值为3.299 MPa；取自尾闸室部位的试样抗弯强度分布在2.935～2.364 MPa之间，平均值为2.650 MPa。可见，3个洞室顶拱的喷射混凝土试样抗弯强度关系为：主厂房>主变室>尾闸室。

表1 喷射混凝土抗弯强度试验结果Tab.1 Test results of bending strength of shotcrete

3.3 残余抗弯强度

根据喷射混凝土或喷射钢纤维混凝土支护变形等级要求[13]，基于荷载-挠度曲线图，可确定试样弯曲试验挠度分别为0.5，1.0，2.0 mm和4.0 mm时的残余抗弯强度。然后，按照规范GB50086-2015附录P的相关规范，可查得各试样的残余抗弯强度等级，结果见表2。

变形等级是指不同围岩与工作条件对喷射混凝土支护层变形的要求，所测试样的喷射混凝土变形等级均很低。喷射混凝土的韧性高低可用其残余抗弯强度的等级表示，等级值越高表明其韧性越高，等级1的喷射混凝土韧性最低。从表2可知，喷射混凝土的韧性均很低，但主厂房和主变室区域喷射混凝土的残余抗弯强度(等级2)比尾闸室区域喷射混凝土的残余抗弯强度等级要高(等级1)，故主厂房和主变室的韧性也较高。

表2 喷射混凝土残余抗弯强度试验结果Tab.2 Test results of residual bending strength of shotcrete

3.4 钢纤维含量与抗弯强度关系

将试验后的喷射混凝土抗弯试样分组称重。然后利用室内砂石骨料破碎机，将试样按先粗、后细的步骤进行破碎处理。最后利用磁铁石，将钢纤维从破碎的混凝土残渣中筛选出来。对筛选出来的钢纤维进行称重，并计算钢纤维占喷射混凝土试件的百分比，从而获得钢纤维含量与抗弯强度、残余抗弯强度的对应关系如表3所示。应说明的是，为降低钢纤维含量测试结果的离散性，实际测试时，将取自同一部位的试样视为同一组钢纤维含量测试对象，因此表3中的钢纤维含量数据少于表1中的抗弯强度数据。

从试验结果可以看出，取自主厂房的喷射混凝土试样钢纤维含量分布在0.26%～0.35%之间，取自主变室和尾闸室的喷射混凝土钢纤维含量分别为0.24%和0.22%。根据钢纤维含量与抗弯强度的对应关系，可以获得如图7所示的散点关系图。这里用线性函数来拟合钢纤维含量与抗弯强度的散点关系图，可以获得如下拟合关系式：y=6.09x+1.668 3

表3 钢纤维含量与其他性能指标对应关系Tab.3 Relationship between volume content and other performance indices of steel fiber

图7 钢纤维含量与抗弯强度关系曲线Fig.7 Relation curve of steel fiber volume content and bending strength of shotcrete

从图7可见，拟合关系曲线与散点关系图的对应趋势较好。这表明，随着钢纤维含量的增加，喷射混凝土的抗弯强度会提高，两者间的线性关系较为明显。但是，考虑到喷射混凝土的抗弯强度实际上还与水泥标号、配比以及施作方法(例如湿喷还是潮喷)等有关，所以图7数据点和拟合关系曲线之间还存在着一定的离散性，即喷混凝土抗弯强度也同时会受到其他因素的影响。

4 不同试样制作方法获得的抗弯强度对比

本文采用现场原位取样方法制作混凝土试件用于抗弯强度测试。搜集整理既有成果，对比不同试样制作方法获得的数据，并列入表4。其中，文献[14-20]采用浇筑成型的方法制作试样，同时也列出了混凝土试样的抗压强度用于对比参考。另外，绘制不同试样制作方法获得的抗弯强度与钢纤维体积含量的关系图(见图8)，可知采用原位取样方法获得的抗弯强度值总体上要小于采用浇筑成型的方法。

分析其原因，是由于原位取样获得的试件在取样前处于洞室围岩表面的真实受力状态，喷混凝土结构在围岩变形、锚固支护和爆破振动效应的综合影响下，局部区域的应力状态可能已进入塑性屈服阶段，因此撬挖解除约束后的喷混凝土块样存在残余变形和内部裂纹，导致结构承载力降低。因此，采用原位取样方法获得试件能较真实地反映试件的实际工作性态。

表4 不同试样制作方法的试验结果对比

图8 不同试样制作方法获得的抗弯强度与钢纤维体积含量的关系Fig.8 Relationship between the bending strength and volume content of steel fiber for samples prepared by different methods

5 结 论

本文采用从河北丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室顶拱撬挖的喷射混凝土块样，进一步在室内试验室加工，获得用于抗弯性能测试的试样。

(1) 喷混凝土试样在四点弯曲试验中呈现的破坏实际上是材料拉裂，表明喷混凝土的抗弯强度与混凝土本身的抗拉强度关系紧密。抗弯强度结果分析表明，取自于主厂房区域的喷射混凝土平均值最高，主变室的次之，尾闸室的最低。取自于主厂房、主变室和尾闸室3个洞室的试样残余抗弯强度也表现出同样特征。

(2) 钢纤维含量与喷射混凝土抗弯强度的线性关系较为明显，也是导致主厂房所取试样获得的抗弯强度相对较高的原因之一。

(3) 与既有文献的混凝土抗弯强度测试成果对比，基于原位取样获得的混凝土抗弯强度值在整体上要小于采用浇筑成型方法制作试样的抗弯强度。其原因是在原位获取的混凝土块样在围岩变形、锚固支护和爆破振动效应的综合影响下，力学性能会出现下降，因此原位取样方法获得试件更能反映地下洞室喷混凝土结构的实际工作性态。