李曙光

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 引言

近年來，新奧法的廣泛應(yīng)用和推廣極大促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展［1］。其利用噴射混凝土和錨桿使圍巖自身的承載力得到最大程度發(fā)揮［2］。無論巖面性狀如何變化，這種支護(hù)方式都能有效地提供粘結(jié)力，防止圍巖松動開裂，充分發(fā)揮復(fù)合體聯(lián)合防護(hù)機(jī)制。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對圍巖－噴層界面力學(xué)特性進(jìn)行了系列研究，但關(guān)于其粘結(jié)性能的測試方法尚存在待解決問題。黃國興［3－4］分析并評價噴射混凝土與圍巖界面粘結(jié)強(qiáng)度現(xiàn)行檢測方法，針對各方法的不足，提出了新的粘結(jié)強(qiáng)度檢測方法——噴射軸拉法，并對粘結(jié)強(qiáng)度合理指標(biāo)提出建議值。楊斌等［5］通過研究不同速凝劑摻量對噴射混凝土基本性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻加速凝劑能提高噴射混凝土的早期強(qiáng)度，但會造成后期孔隙率增大。朱亞超等［6］利用劈裂試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)研究不同骨料表面粗糙度和不同砂漿強(qiáng)度對界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響，并建立界面本構(gòu)關(guān)系模型。Hong等［7］通過三維掃描儀對巖石表面粗糙度進(jìn)行量化，基于對界面粘結(jié)強(qiáng)度的測試發(fā)現(xiàn)：隨著表面粗糙度的增加，界面的拉伸和剪切強(qiáng)度隨之增加。

綜上所述，針對圍巖－噴層界面粘結(jié)強(qiáng)度測試方法尚沒有統(tǒng)一化，關(guān)于隧道圍巖－噴層粘結(jié)性能影響因素的研究也多未將這些因素進(jìn)行綜合分析以考慮其交互作用。因此，本文研究成果將對認(rèn)知圍巖－噴層界面粘結(jié)強(qiáng)度影響因素提供有價值的參考。

2 圍巖－噴層界面粘結(jié)性能室內(nèi)對比試驗(yàn)

2.1 試件制備

試驗(yàn)巖樣選自甘肅省某隧道。經(jīng)X射線衍射試驗(yàn)鑒定，所含巖石成分及其含量見表1。根據(jù)試驗(yàn)需要將巖樣加工成（300×300×100）mm和（400×300×50）mm兩種規(guī)格。參考相關(guān)規(guī)范制作模板，并制備標(biāo)號為C25的噴射混凝土，配合比見表2。

表1 巖石成分及含量

表2 噴混凝土配合比

2.2 試驗(yàn)方法

（1）預(yù)留試件室內(nèi)拉拔法

將（300×300×100）mm巖樣放入試模中，并在其幾何中心埋入長20 cm的鋼拉桿，桿底用環(huán)氧樹脂膠與巖石試樣粘結(jié)。在試驗(yàn)部位噴射100 mm厚混凝土，再用直徑200 mm、高100 mm的PVC套筒對準(zhǔn)巖樣幾何中心插入，將套筒外部混凝土移除，僅保留套筒內(nèi)部混凝土與巖石粘結(jié)。將制作好的試件移至養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后用拉拔器對拉桿施加拉力，直至試件沿混凝土與巖石界面破壞，根據(jù)拉力及破壞面積計(jì)算噴射混凝土與圍巖粘結(jié)力。

（2）室內(nèi)鉆芯拉拔法

將（300×300×100）mm巖樣放入試模中，直接噴射100 mm混凝土噴層。將制作好的試件移至養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)7 d后，采用小型鉆機(jī)垂直混凝土表面鉆進(jìn)至巖石試樣20 mm，隨后用卡套插入試件并卡緊巖芯，安裝拉拔器后緩慢施加拉力，使巖芯沿圍巖結(jié)合面破壞。養(yǎng)護(hù)至28 d后，測試并計(jì)算出噴射混凝土與圍巖粘結(jié)力。

（3）噴大板劈裂法

在（450×350×120）mm的敞口試模中，放入（400×300×50）mm試件，按照規(guī)范噴射50 mm厚混凝土噴層，在與施工現(xiàn)場一致的條件下養(yǎng)護(hù)7 d后，將噴大板試件切割成（100×100×100）mm的方形試件。采用劈裂法測試試件粘結(jié)強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)至28 d后，測試并計(jì)算噴射混凝土與圍巖粘結(jié)強(qiáng)度。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

三種測試方法7 d粘結(jié)強(qiáng)度均大于28 d粘結(jié)強(qiáng)度（見表3），這是因?yàn)閲娚浠炷翐郊铀倌齽┛墒顾嗟乃不俾始涌欤诤芏虝r間內(nèi)形成足夠的強(qiáng)度，但亦會阻礙混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展。改進(jìn)的預(yù)留試件拉拔法雖解決了挖環(huán)形槽難度大和預(yù)埋拉桿容易掉落的問題，但很難保證在施加荷載時不引起偏心。鉆芯拉拔法在鉆芯時，鉆機(jī)擺動對混凝土試件的擾動與損傷不可避免，而且噴層厚度不足也易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些問題會導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度偏小，所檢測的粘結(jié)強(qiáng)度通常達(dá)不到設(shè)計(jì)要求（≥1.0 MPa）。相比較，噴大板劈裂法混凝土與巖石粘結(jié)面因其不可能在同一垂直面上，導(dǎo)致劈拉試驗(yàn)時有剪切現(xiàn)象，使其得出的劈拉粘結(jié)強(qiáng)度偏高，但測得的數(shù)據(jù)滿足設(shè)計(jì)要求。通過以上分析，噴大板試驗(yàn)不論在操作難度還是強(qiáng)度要求上均優(yōu)于其他兩種測試方法，故選取噴大板試驗(yàn)法作為隧道圍巖－噴層二元體界面粘結(jié)力的最佳室內(nèi)檢測手段。

表3 三種測試方法試樣的粘結(jié)強(qiáng)度

3 隧道圍巖－噴層界面粘結(jié)影響效果試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇可能對粘結(jié)強(qiáng)度有較大影響的四種因素作為指標(biāo)，各指標(biāo)確定三個水平等級，見表4。

表4 因素水平

3.2 水平處理

根據(jù)正交試驗(yàn)的影響因素及水平，對巖面狀況進(jìn)行處理。首先設(shè)計(jì)三種粗糙度不同的巖面［8］：光滑、微粗糙及起伏粗糙表面。通過三維形貌儀測得其JRC（巖體結(jié)構(gòu)面粗糙度系數(shù)）分別為0.60、3.31、10.43?；?Ozturk［9－10］的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)三種不同界面污染面積。在巖面畫出米字格，用油污和灰塵進(jìn)行污染，污染面積按所占網(wǎng)格比例分別為0、50%和100%。巖面狀況處理見圖1。

圖1 巖面處理

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

對制作不同影響因素的9組27個試樣進(jìn)行噴大板試驗(yàn)。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下混凝土齡期達(dá)到28 d后烘干，運(yùn)用TY-2000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī)對圍巖－噴層二元體試塊進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，加載速率為0.05 MPa／s。試驗(yàn)方案及結(jié)果見表5。

表5 試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.4 極差分析

隧道圍巖－噴層二元體界面粘結(jié)強(qiáng)度各因素水平極差分析見表6。通過比較Ki值大小發(fā)現(xiàn)A3B1C3D3為影響隧道圍巖－噴層二元體界面粘結(jié)強(qiáng)度的最優(yōu)組合。此時，對應(yīng)于各因素的水平為：巖石粘結(jié)面起伏粗糙、無污染及摻加2%速凝劑的C30噴射混凝土?；赗值得出因子主次順序?yàn)椋築→A→D→C，簡記為BADC。

表6 極差分析

3.5 方差分析

借助SPSS軟件制成圍巖－噴層二元體界面粘結(jié)強(qiáng)度各因素水平方差分析表，見表7。通過方差分析，比對表7中F值的大小可知粗糙程度和污染面積為極顯著，混凝土標(biāo)號和速凝劑摻量為顯著，大小關(guān)系為B＞A＞D＞C，最優(yōu)組合為A3B1C3D3。

表7 方差分析

4 最優(yōu)組合各因素分析

圖2為各因素對圍巖－噴層二元體試件界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

圖2 各因素與平均粘結(jié)強(qiáng)度關(guān)系

4.1 粗糙程度因素分析

采用JRC表征界面的起伏狀況，發(fā)現(xiàn)JRC＝0.60界面光滑的二元體試件完全沿界面發(fā)生破壞，花崗巖表面和混凝土表面見少量粘附的碎渣；JRC＝3.31二元體試件破壞面依然為界面，但花崗巖表面有明顯的混凝土碎渣，混凝土表面也粘附有巖石碎屑；JRC＝10.43時節(jié)理面變得起伏不平，破壞面也從界面處衍生至其他面，并不完全沿界面破壞，花崗巖和混凝土表面也出現(xiàn)大量碎渣。分析可知：花崗巖表面越粗糙，其與混凝土的機(jī)械咬合作用也越明顯，界面強(qiáng)度也隨之提高。不同粗糙度界面破壞模式見圖3。

圖3 不同粗糙度界面破壞模式

4.2 污染面積因素分析

油污降低了界面摩擦力并產(chǎn)生一定的憎水效果，使巖面與噴射混凝土漿液水分子呈相斥狀態(tài)，致使?jié){液無法很好地浸透巖面，導(dǎo)致兩者粘結(jié)力很低；粉塵對界面產(chǎn)生隔離效果，形成一個較弱的界面。故隧道現(xiàn)場施作噴射混凝土前保證圍巖表面整潔無油漬、粉塵可增加噴層和圍巖之間的粘結(jié)力。

4.3 混凝土標(biāo)號因素分析

在相同養(yǎng)護(hù)條件和齡期條件下，混凝土標(biāo)號越大，其抗壓強(qiáng)度也越大。噴大板所測粘結(jié)強(qiáng)度是其劈裂抗拉強(qiáng)度決定的。故隨著混凝土標(biāo)號的增大，其粘結(jié)強(qiáng)度也會隨之增加；但并不是混凝土標(biāo)號越大越好，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，在保證足夠強(qiáng)度條件下選用合適標(biāo)號的噴射混凝土顯得至關(guān)重要。

4.4 速凝劑摻量因素分析

速凝劑通過影響噴射混凝土基體后期強(qiáng)度，造成了噴射混凝土的力學(xué)強(qiáng)度及韌性行為存在差異性，速凝劑摻量越多，28 d強(qiáng)度損失越大。在實(shí)際工程中，速凝劑摻量往往受工期和現(xiàn)場情況的影響適配。因此在保證后期圍巖－噴層足夠粘結(jié)強(qiáng)度的條件下，根據(jù)自身工期安排選擇不同摻量的速凝劑。

5 隧道圍巖－噴層界面粘結(jié)強(qiáng)度預(yù)測方法

5.1 線性回歸預(yù)測模型

基于梁凱等［10］建立的機(jī)制砂混凝土線性回歸模型，假設(shè)隧道圍巖－噴層二元體界面粘結(jié)強(qiáng)度與粗糙程度、污染面積、混凝土強(qiáng)度和速凝劑摻量具有如下線性關(guān)系：

式中：y 為二元體界面粘結(jié)強(qiáng)度；βi（i＝0，1，2，3，4）為回歸系數(shù)；x1為JRC；x2為污染面積與總面積的比值；x3為混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）；x4為速凝劑摻量；e為試驗(yàn)誤差。

將表5中各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后代入式（1）中，得到關(guān)于β的最小二乘估計(jì)量，即：

5.2 模型精度檢驗(yàn)

計(jì)算方差分析表中各項(xiàng)數(shù)據(jù)并制成表8。假設(shè)檢驗(yàn)條件：各因素為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量服從F（4，4）。在顯著性水平α＝0.01的前提下，計(jì)算 F ＝3.472 6 ×104＞F0.01（4，4）＝16，即原假設(shè)多元線性回歸模型合理。

表8 方差分析計(jì)算結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果建立回歸方程（2）預(yù)測多因素水平下隧道圍巖－噴層二元體界面的粘結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見表9。從表9中可以看出預(yù)測精度及可靠度較高，具有應(yīng)用價值。

表9 預(yù)測結(jié)果及對比

6 結(jié)論

（1）明確了改進(jìn)的預(yù)留試件拉拔法、鉆芯拉拔法、噴大板劈裂法的優(yōu)勢與不足；噴大板劈裂法相比其他兩種方法，其操作更為簡單，得出的粘結(jié)強(qiáng)度更符合試驗(yàn)要求，故推薦噴大板劈裂法為圍巖－噴層界面粘結(jié)性能室內(nèi)測試方法［11－12］。

（2）影響隧道圍巖－噴層界面粘結(jié)強(qiáng)度因素依次為污染面積＞粗糙程度＞速凝劑摻量和混凝土標(biāo)號?；跇O差和方差分析，推薦“巖石－噴射混凝土性能”測試試驗(yàn)選用起伏粗糙、無污染、C30混凝土及2%速凝劑摻量的優(yōu)選組合關(guān)系。

（3）基于對圍巖－噴層二元體界面粘結(jié)強(qiáng)度與各影響因素的相關(guān)性分析，建立了線性回歸預(yù)測模型，其回歸方程的預(yù)測值與試驗(yàn)值具有較高的吻合度，為圍巖－噴層粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)及相關(guān)工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。