吳登超，楊本水

（1. 合肥科技職業(yè)學院建筑工程系，安徽合肥 230601；2. 安徽建筑大學土木工程學院，安徽合肥 230601）

0 引言

目前，支護結構大部分都以混凝土和鋼管組成，為了提高支護結構的整體穩(wěn)定性，可將混凝土填充到鋼管內(nèi)，混凝土在支護結構中一直處于受壓狀態(tài)，壓力來自鋼管殼［1］。 混凝土支護結構近年來不斷發(fā)展，在公路立交橋、露天煤礦和拱橋等領域中得到了廣泛地應用。 傳統(tǒng)的U 型支架支護結構的反力難以滿足動壓巷道、軟巖和深井的支護需求，露天煤礦支護的難度更高［2-3］，因此需要抗壓強度高的支護結構，在此背景下研究混凝土支護結構的抗壓性能具有重要意義。

有研究者通過聲發(fā)射裝置檢測混凝土支護結構在測試過程中劈裂失穩(wěn)、軸心抗壓和單軸抗壓的過程，獲得撞擊數(shù)、聲發(fā)射能量等數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)分析混凝土支護結構的抗壓性能［4］。國內(nèi)一些學者將養(yǎng)護溫度和水灰比作為影響因素研究混凝土支護結構的抗壓性能，在研究過程中利用掃描電子顯微鏡觀察混凝土在測試過程中的微觀形貌變化，結合XRD 和EDS 對混凝土支護結構展開物象分析［5］。 一些學者分析了混凝土支護結構，根據(jù)結構特點和變化情況建立對應的數(shù)值模型，將cohesive 單元引入數(shù)值模擬分析過程中，用來模擬混凝土產(chǎn)生的損傷，針對混凝土結構中存在的孔隙水，在彈性單元的基礎上展開數(shù)值模擬，通過慣性效應和粘性效應研究混凝土支護結構的抗壓性能［6］。 在上述研究結果的基礎上，綜合分析露天煤礦混凝土支護結構所處的環(huán)境，針對上述研究成果對部分極端環(huán)境對混凝土支護結構的影響分析的缺失，為提高露天煤礦混凝土支護結構的安全性，本文提出露天煤礦混凝土支護結構的抗壓試驗研究方法。 通過分析高溫及極高溫、水灰比、干、濕噴方式下對混凝土支護結構的抗壓性的影響，為混凝土支護結構在多種類型環(huán)境下的應用提供了參考。

1 工程概況

該露天煤礦的邊坡是一個巨大的工程，南北長980 m，東西寬750 m，高160 m。 這個邊坡分為14 個平臺，從上到下逐漸降低，每個平臺的高度約為12 米。 坡頂?shù)臉烁邽?40 m，而坡底的標高為390 m。 這些平臺為采礦作業(yè)提供了安全的工作環(huán)境。 該煤礦的地理位置非常特殊，它位于一個背斜構造的核部，地層的產(chǎn)狀總體走向SW（43°），傾向NW（313°），傾角為20°～65°。 然而，在邊坡區(qū)的前緣附近，地層產(chǎn)狀與坡向相反，而在邊坡區(qū)的中部和后緣，地層產(chǎn)狀總體上與邊坡傾向相同。 這種地層產(chǎn)狀的復雜性給采礦作業(yè)帶來了一些挑戰(zhàn)。 此外，該采場內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)大的斷裂帶，整個區(qū)域內(nèi)也沒有斷層。 因此，可以忽略這些地質構造對邊坡的影響。 同時，該煤礦采用公路運輸方式，公路的坡度約為8%。

該露天煤礦采用了全埋式抗滑樁技術來穩(wěn)定邊坡。 根據(jù)已有的研究，這些抗滑樁被垂直地布置于臺階坡腳位置，樁截面尺寸為1.0 m×1.5 m?？紤]到雨水沖刷可能導致樁外露，這些樁被設計為垂直地面。 抗滑樁的長度超過了滑移面的深度，其中地表以下的設計長度為10 m 和15 m。 樁之間的間距為3 m，并采用梅花形布置。 受剪承載能力被設計為1000 kN。 此外，該邊坡體還采用了水泥注漿加固技術，以增強其穩(wěn)定性。 對于邊坡上已經(jīng)出現(xiàn)的裂縫，使用了黏土水泥漿進行充填。 具體結構如圖1 所示。

圖1 支護結構

2 混凝土支護結構

露天煤礦的支護結構主要由混凝土構成，為了提高支護整體結構在工程中的穩(wěn)定性，通常將混凝土填充到支撐結構的鋼管中。 露天煤礦混凝土支護結構的受力情況如圖2 所示。

圖2 混凝土支護結構受力情況

圖2 中，δ1表示縱向鋼管產(chǎn)生的應力；δ2表示環(huán)向鋼管產(chǎn)生的應力；δc表示縱向混凝土產(chǎn)生的應力；N表示作用在混凝土支護結構中的外荷載；p表示混凝土與鋼管之間存在的側壓力。

所提方法設置套箍指標?，其表達式如下：

式中，Ss代表的是鋼管橫截面面積；Sc代表的是混凝土橫截面面積；gs、gc分別為Ss、Sc對應的抗壓強度。 根據(jù)上式計算結果，分析鋼管在支護結構中對核心混凝土產(chǎn)生的套箍約束。

根據(jù)露天煤礦混凝土支護結構的受力情況，獲得支護結構在初始階段受到的外荷載N0如下：

結合公式（1）和公式（2）獲得U29 型鋼、混凝土、鋼管混凝土和空心混凝土的短柱極限承載力［7-8］，見表1。

表1 露天煤礦混凝土短柱極限承載力

露天煤礦混凝土支護結構的短柱應力分布情況如圖3 所示。

圖3 短柱應力分布圖

3 抗壓試驗

3.1 溫度對混凝土支護結構抗壓性能的影響

將試驗環(huán)境設置為25℃、45℃、65℃、95℃和115℃養(yǎng)護條件。 在不同試驗環(huán)境中通過單軸壓縮試驗［9-10］測試露天煤礦混凝土支護結構的抗壓、抗拉性能。

結合表2 中的數(shù)據(jù)可知，露天煤礦混凝土支護結構在初期45℃養(yǎng)護條件下的抗拉和抗壓強度較優(yōu)，表明水泥在高溫條件下的水化反應速度較快［11-12］，促進了混凝土支護結構早齡期強度的增長。 隨著齡期的增長各項測試指標的上升幅度有所降低。 露天煤礦混凝土支護結構在25℃和65℃養(yǎng)護條件下，抗拉強度和抗壓強度均隨著齡期增長而有所提升。 在95℃養(yǎng)護條件下的第三天，抗壓強度值略高，隨著齡期的增長，95℃養(yǎng)護條件下露天煤礦混凝土支護結構的抗拉強度值和抗壓強度值降低。 處于115℃養(yǎng)護環(huán)境中的混凝土支護結構抗拉強度和抗壓強度較低，主要是因為混凝土內(nèi)部存在的水分，當養(yǎng)護環(huán)境溫度過高時，會在短時間內(nèi)蒸發(fā)，水泥水化反應的速率遠遠低于水分蒸發(fā)的速率，降低了露天煤礦混凝土支護結構的強度［13-14］。 故表明，混凝土在45℃養(yǎng)護條件下的強度較好，當混凝土支護結構在養(yǎng)護溫度過高時，強度值處于劣勢。

表2 不同溫度結構性能測試結果

3.2 水灰比對混凝土支護結構抗壓性能的影響

3.2.1 抗壓強度受水灰比的影響

通過抗壓強度反映材料對鉆孔支護的強弱。根據(jù)配合比的不同將露天煤礦混凝土支護結構分為5 組，見表3。

表3 露天煤礦混凝土支護結構配合比

表4 抗壓強度

以1 組為例，展開分析，發(fā)現(xiàn)混凝土支護結構的養(yǎng)護齡期與整體結構的抗壓強度之間呈線性關系，兩者的值同時增加。 從配比角度分析，養(yǎng)護齡期3 天時，1 組的抗壓強度低于5 組的抗壓強度，水灰比的減小會降低露天煤礦混凝土支護結構的抗壓強度，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因是混凝土中存在的水分無法完全發(fā)生水化反應，未發(fā)生反應的水分會隨著齡期的增長轉變?yōu)闅馀莼蛟诟邷貤l件下蒸發(fā)，導致混凝土支護結構中出現(xiàn)氣孔，減少了支護結構的有效斷面［15-16］。

3.2.2 連通孔隙率受水灰比的影響

水灰比與連通孔隙率之間的關系如圖4所示。

圖4 相關性分析結果

由圖4 數(shù)據(jù)可知，連通孔隙率與水灰比之間呈反比，出現(xiàn)這種情況的主要原因是漿液中水分子的間距隨著水灰比的增大而增大，表面張力在此條件下也隨之變大，這種環(huán)境下出現(xiàn)氣泡情況的概率較低。

3.3 干、濕噴混凝土抗壓性能分析

干、濕噴混凝土材料的要求如下：

（1） 試驗過程中所用的水泥均為9·O42.5 級；

（2） 選用的碎石粒徑控制在5 ～12 mm 范圍內(nèi)；

（3） 砂子的細度模數(shù)應高于2.5。

在石子、砂子和水泥方面干、濕噴混凝土的選擇相差較小，針對外加劑的選擇兩者之間存在較大差異［17-18］，干、濕噴混凝土的配合比情況見表5。

表5 混凝土配合比

將RMT 試驗機和TZS 型數(shù)顯抗折試驗機（如圖5 所示）應用于干、濕噴混凝土抗壓性能分析中展開單軸抗壓測試和抗折強度測試［19-20］。

圖5 試驗儀器

由表6 和圖6 顯示的試驗數(shù)據(jù)可知，干噴混凝土的測試結果均劣于濕噴混凝土的測試結果。 在第一天，干噴混凝土的試驗結果就劣于濕噴混凝土的試驗結果，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在露天煤礦中濕噴混凝土方式可以避免支護強度降低和圍巖剝落等現(xiàn)象，封閉圍巖，在露天煤礦中形成支護，濕噴混凝土與干噴混凝土相比，可以在短時間內(nèi)形成高強度的支護力，避免露天煤礦場出現(xiàn)掉渣和土體開裂的現(xiàn)象。

表6 噴射時間對干、濕噴混凝土強度產(chǎn)生的影響

圖6 抗壓、抗拉和抗折強度測試結果

4 結論

（1） 露天混凝土支護結構在混凝土在45℃養(yǎng)護條件下的強度較好。

（2） 隨著水灰比的增加，使混凝土支護結構在露天煤礦中的抗壓強度和孔隙率不斷提高。

（3） 在抗壓強度、抗拉強度和抗折強度三個方面，濕噴混凝土均優(yōu)于干噴混凝土。