隧道围岩－喷层界面粘结性能试验研究

李曙光

（中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016）

1 引言

近年来，新奥法的广泛应用和推广极大促进了相关领域的研究进展［1］。其利用喷射混凝土和锚杆使围岩自身的承载力得到最大程度发挥［2］。无论岩面性状如何变化，这种支护方式都能有效地提供粘结力，防止围岩松动开裂，充分发挥复合体联合防护机制。

目前，国内外学者对围岩－喷层界面力学特性进行了系列研究，但关于其粘结性能的测试方法尚存在待解决问题。黄国兴［3－4］分析并评价喷射混凝土与围岩界面粘结强度现行检测方法，针对各方法的不足，提出了新的粘结强度检测方法——喷射轴拉法，并对粘结强度合理指标提出建议值。杨斌等［5］通过研究不同速凝剂掺量对喷射混凝土基本性能的影响，发现掺加速凝剂能提高喷射混凝土的早期强度，但会造成后期孔隙率增大。朱亚超等［6］利用劈裂试验和直剪试验研究不同骨料表面粗糙度和不同砂浆强度对界面粘结强度的影响，并建立界面本构关系模型。Hong等［7］通过三维扫描仪对岩石表面粗糙度进行量化，基于对界面粘结强度的测试发现：随着表面粗糙度的增加，界面的拉伸和剪切强度随之增加。

综上所述，针对围岩－喷层界面粘结强度测试方法尚没有统一化，关于隧道围岩－喷层粘结性能影响因素的研究也多未将这些因素进行综合分析以考虑其交互作用。因此，本文研究成果将对认知围岩－喷层界面粘结强度影响因素提供有价值的参考。

2 围岩－喷层界面粘结性能室内对比试验

2.1 试件制备

试验岩样选自甘肃省某隧道。经X射线衍射试验鉴定，所含岩石成分及其含量见表1。根据试验需要将岩样加工成（300×300×100）mm和（400×300×50）mm两种规格。参考相关规范制作模板，并制备标号为C25的喷射混凝土，配合比见表2。

表1 岩石成分及含量

表2 喷混凝土配合比

2.2 试验方法

（1）预留试件室内拉拔法

将（300×300×100）mm岩样放入试模中，并在其几何中心埋入长20 cm的钢拉杆，杆底用环氧树脂胶与岩石试样粘结。在试验部位喷射100 mm厚混凝土，再用直径200 mm、高100 mm的PVC套筒对准岩样几何中心插入，将套筒外部混凝土移除，仅保留套筒内部混凝土与岩石粘结。将制作好的试件移至养护室进行标准养护。养护7 d、28 d后用拉拔器对拉杆施加拉力，直至试件沿混凝土与岩石界面破坏，根据拉力及破坏面积计算喷射混凝土与围岩粘结力。

（2）室内钻芯拉拔法

将（300×300×100）mm岩样放入试模中，直接喷射100 mm混凝土喷层。将制作好的试件移至养护室进行标准养护。养护7 d后，采用小型钻机垂直混凝土表面钻进至岩石试样20 mm，随后用卡套插入试件并卡紧岩芯，安装拉拔器后缓慢施加拉力，使岩芯沿围岩结合面破坏。养护至28 d后，测试并计算出喷射混凝土与围岩粘结力。

（3）喷大板劈裂法

在（450×350×120）mm的敞口试模中，放入（400×300×50）mm试件，按照规范喷射50 mm厚混凝土喷层，在与施工现场一致的条件下养护7 d后，将喷大板试件切割成（100×100×100）mm的方形试件。采用劈裂法测试试件粘结强度。养护至28 d后，测试并计算喷射混凝土与围岩粘结强度。

2.3 试验结果分析

三种测试方法7 d粘结强度均大于28 d粘结强度（见表3），这是因为喷射混凝土掺加速凝剂可使水泥的水化硬化速率加快，在很短时间内形成足够的强度，但亦会阻碍混凝土后期强度的发展。改进的预留试件拉拔法虽解决了挖环形槽难度大和预埋拉杆容易掉落的问题，但很难保证在施加荷载时不引起偏心。钻芯拉拔法在钻芯时，钻机摆动对混凝土试件的扰动与损伤不可避免，而且喷层厚度不足也易引起应力集中现象。这些问题会导致粘结强度偏小，所检测的粘结强度通常达不到设计要求（≥1.0 MPa）。相比较，喷大板劈裂法混凝土与岩石粘结面因其不可能在同一垂直面上，导致劈拉试验时有剪切现象，使其得出的劈拉粘结强度偏高，但测得的数据满足设计要求。通过以上分析，喷大板试验不论在操作难度还是强度要求上均优于其他两种测试方法，故选取喷大板试验法作为隧道围岩－喷层二元体界面粘结力的最佳室内检测手段。

表3 三种测试方法试样的粘结强度

3 隧道围岩－喷层界面粘结影响效果试验

3.1 正交试验设计

选择可能对粘结强度有较大影响的四种因素作为指标，各指标确定三个水平等级，见表4。

表4 因素水平

3.2 水平处理

根据正交试验的影响因素及水平，对岩面状况进行处理。首先设计三种粗糙度不同的岩面［8］：光滑、微粗糙及起伏粗糙表面。通过三维形貌仪测得其JRC（岩体结构面粗糙度系数）分别为0.60、3.31、10.43。基于 Ozturk［9－10］的研究结果，设计三种不同界面污染面积。在岩面画出米字格，用油污和灰尘进行污染，污染面积按所占网格比例分别为0、50%和100%。岩面状况处理见图1。

图1 岩面处理

3.3 试验结果

对制作不同影响因素的9组27个试样进行喷大板试验。在标准养护条件下混凝土龄期达到28 d后烘干，运用TY-2000型电液式压力试验机对围岩－喷层二元体试块进行劈裂抗拉试验，加载速率为0.05 MPa／s。试验方案及结果见表5。

表5 试验方案及结果

3.4 极差分析

隧道围岩－喷层二元体界面粘结强度各因素水平极差分析见表6。通过比较Ki值大小发现A3B1C3D3为影响隧道围岩－喷层二元体界面粘结强度的最优组合。此时，对应于各因素的水平为：岩石粘结面起伏粗糙、无污染及掺加2%速凝剂的C30喷射混凝土。基于R值得出因子主次顺序为：B→A→D→C，简记为BADC。

表6 极差分析

3.5 方差分析

借助SPSS软件制成围岩－喷层二元体界面粘结强度各因素水平方差分析表，见表7。通过方差分析，比对表7中F值的大小可知粗糙程度和污染面积为极显著，混凝土标号和速凝剂掺量为显著，大小关系为B＞A＞D＞C，最优组合为A3B1C3D3。

表7 方差分析

4 最优组合各因素分析

图2为各因素对围岩－喷层二元体试件界面粘结强度的影响。

图2 各因素与平均粘结强度关系

4.1 粗糙程度因素分析

采用JRC表征界面的起伏状况，发现JRC＝0.60界面光滑的二元体试件完全沿界面发生破坏，花岗岩表面和混凝土表面见少量粘附的碎渣；JRC＝3.31二元体试件破坏面依然为界面，但花岗岩表面有明显的混凝土碎渣，混凝土表面也粘附有岩石碎屑；JRC＝10.43时节理面变得起伏不平，破坏面也从界面处衍生至其他面，并不完全沿界面破坏，花岗岩和混凝土表面也出现大量碎渣。分析可知：花岗岩表面越粗糙，其与混凝土的机械咬合作用也越明显，界面强度也随之提高。不同粗糙度界面破坏模式见图3。

图3 不同粗糙度界面破坏模式

4.2 污染面积因素分析

油污降低了界面摩擦力并产生一定的憎水效果，使岩面与喷射混凝土浆液水分子呈相斥状态，致使浆液无法很好地浸透岩面，导致两者粘结力很低；粉尘对界面产生隔离效果，形成一个较弱的界面。故隧道现场施作喷射混凝土前保证围岩表面整洁无油渍、粉尘可增加喷层和围岩之间的粘结力。

4.3 混凝土标号因素分析

在相同养护条件和龄期条件下，混凝土标号越大，其抗压强度也越大。喷大板所测粘结强度是其劈裂抗拉强度决定的。故随着混凝土标号的增大，其粘结强度也会随之增加；但并不是混凝土标号越大越好，从经济角度考虑，在保证足够强度条件下选用合适标号的喷射混凝土显得至关重要。

4.4 速凝剂掺量因素分析

速凝剂通过影响喷射混凝土基体后期强度，造成了喷射混凝土的力学强度及韧性行为存在差异性，速凝剂掺量越多，28 d强度损失越大。在实际工程中，速凝剂掺量往往受工期和现场情况的影响适配。因此在保证后期围岩－喷层足够粘结强度的条件下，根据自身工期安排选择不同掺量的速凝剂。

5 隧道围岩－喷层界面粘结强度预测方法

5.1 线性回归预测模型

基于梁凯等［10］建立的机制砂混凝土线性回归模型，假设隧道围岩－喷层二元体界面粘结强度与粗糙程度、污染面积、混凝土强度和速凝剂掺量具有如下线性关系：

式中：y 为二元体界面粘结强度；βi（i＝0，1，2，3，4）为回归系数；x1为JRC；x2为污染面积与总面积的比值；x3为混凝土抗压强度（MPa）；x4为速凝剂掺量；e为试验误差。

将表5中各组试验数据整理后代入式（1）中，得到关于β的最小二乘估计量，即：

5.2 模型精度检验

计算方差分析表中各项数据并制成表8。假设检验条件：各因素为相互独立的随机变量，检验统计量服从F（4，4）。在显著性水平α＝0.01的前提下，计算 F ＝3.472 6 ×104＞F0.01（4，4）＝16，即原假设多元线性回归模型合理。

表8 方差分析计算结果

根据正交试验结果建立回归方程（2）预测多因素水平下隧道围岩－喷层二元体界面的粘结强度，结果见表9。从表9中可以看出预测精度及可靠度较高，具有应用价值。

表9 预测结果及对比

6 结论

（1）明确了改进的预留试件拉拔法、钻芯拉拔法、喷大板劈裂法的优势与不足；喷大板劈裂法相比其他两种方法，其操作更为简单，得出的粘结强度更符合试验要求，故推荐喷大板劈裂法为围岩－喷层界面粘结性能室内测试方法［11－12］。

（2）影响隧道围岩－喷层界面粘结强度因素依次为污染面积＞粗糙程度＞速凝剂掺量和混凝土标号。基于极差和方差分析，推荐“岩石－喷射混凝土性能”测试试验选用起伏粗糙、无污染、C30混凝土及2%速凝剂掺量的优选组合关系。

（3）基于对围岩－喷层二元体界面粘结强度与各影响因素的相关性分析，建立了线性回归预测模型，其回归方程的预测值与试验值具有较高的吻合度，为围岩－喷层粘结强度试验及相关工程应用提供理论依据。