丁 琳，王 丹，王紅梅，溫和哲

（1．黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2．東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；3．黑龍江省交通科學(xué)研究所，哈爾濱 150080）

0 前 言

噴射混凝土在寒區(qū)邊坡加固中具有廣泛的應(yīng)用前景，并可節(jié)省開挖量［1］。濕噴混凝土外加劑可改善鋼纖維和微硅粉 （火山灰添加劑）的操作性能。噴漿機(jī)器人的應(yīng)用極大地提高了效率［2］。

現(xiàn)在噴射混凝土約55%的總體積是纖維噴射混凝土［3－4］。噴射混凝土90%以上是用于與巖石永久襯砌。鋼纖維含量通常占體積的0．5%～1%［5－6］。

1 鋼纖維增強(qiáng)混凝土的臨時(shí)支護(hù)

巖石質(zhì)量差且需要快速支持時(shí)，通常使用濕法纖維混凝土用于臨時(shí)支護(hù)噴射混凝土，具有以下優(yōu)點(diǎn)：鋼纖維噴射混凝土早強(qiáng)度高，鋼纖維噴射混凝土1d的單軸抗壓強(qiáng)度為33N／mm2，是素噴射混凝土16～17N／mm2的一倍［7］。產(chǎn)生一個(gè)快速的增強(qiáng)作用，有助于噴射混凝土與邊坡巖石緊密結(jié)合，粘接強(qiáng)度大，粘接效果佳；依據(jù)實(shí)際需求，可具體調(diào)整鋼纖維混合比和水灰比。噴射混凝土齡期與單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系見表1、表2。

表1 噴射混凝土齡期與單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)比表Table 1 Shotcrete compressive strength with age

表2 噴射混凝土齡期與抗拉強(qiáng)度對(duì)比表Table 2 Shotcrete tensile strength with age

通過使用遙控機(jī)器人噴射混凝土，使施工人員遠(yuǎn)離噪音，同時(shí)可與施工面近距離操作，實(shí)現(xiàn)安全和清潔的工作環(huán)境；效率為人工的3～6倍［8］；反彈小，反彈率約為5%～10%［9］。

素噴射混凝土容易出現(xiàn)變形破壞：當(dāng)素混凝土達(dá)到極限壓力時(shí)，產(chǎn)生破裂，而鋼纖維噴射混凝土達(dá)到極限破壞后，殘余強(qiáng)度仍為50%左右，變形通常小于10mm。鋼纖維噴射混凝土能量吸收率為素噴射混凝土10～50倍［10］。

巖石邊坡的一個(gè)重要方面是保持邊坡穩(wěn)定，即避免巖石滑坡和崩潰。此外，鋼纖維混凝土的快速支護(hù)將減少邊坡變形，提高其穩(wěn)定性。通過使用快速硬化普通硅酸鹽水泥，減水劑 （非阻燃）和20～30℃養(yǎng)護(hù)混凝土及噴漿來實(shí)現(xiàn)［11－12］。噴射混凝土配合比：水泥∶骨料∶硅粉＝1∶3∶0．1。

在早期階段，即第4～6h，強(qiáng)度產(chǎn)生主要在于溫度［13］。然而，它最終強(qiáng)度的主要貢獻(xiàn)來源于水泥的水化作用。

鋼纖維噴射混凝土應(yīng)通過系統(tǒng)錨桿后進(jìn)行噴錨。噴混凝土的作用是防止錨桿松動(dòng)，尤其是在區(qū)域之間的螺栓［14］。由于粘結(jié)強(qiáng)度不可預(yù)計(jì)，噴射混凝土和錨桿之間的接觸強(qiáng)度，加強(qiáng)了巖體和混凝土之間的相互作用［15］。

在惡劣地質(zhì)條件下的邊坡，數(shù)分鐘即可完成鋼纖維混凝土噴射。錨桿支護(hù)應(yīng)盡快完成后噴射。使用早期強(qiáng)度，錨桿通過噴射混凝土可以無延遲立即發(fā)揮作用。

錨噴組合在相對(duì)較少的大塊巖體應(yīng)用。錨塊可以噴錨。重要的巖石噴錨應(yīng)依據(jù)地質(zhì)調(diào)查及現(xiàn)場觀測。

鋼纖維噴射混凝土襯砌含有體積1%18mm鋼纖維，其具有的承載能力和延性優(yōu)于相同厚度的鋼絲網(wǎng)支護(hù)。

2 鋼纖維增強(qiáng)混凝土的永久支護(hù)

在巖石邊坡中往往需要與永久支護(hù)相結(jié)合的臨時(shí)襯砌，有效防止巖石崩潰。

凍融循環(huán)作用，水的流入作用，會(huì)降低寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性，所以錨桿與濕噴鋼纖維混凝土具有經(jīng)濟(jì)合理性，并將永久及臨時(shí)支護(hù)相結(jié)合，摻入鋼纖維硅粉的混凝土可作為永久支護(hù)或至少是部分支護(hù)。寒區(qū)邊坡中處理水的作用很重要，而且具有良好的經(jīng)濟(jì)性，噴射混凝土應(yīng)結(jié)合排水、采用適當(dāng)?shù)谋卮胧?。噴射混凝土適用于集中和偏轉(zhuǎn)的泄漏。普通混凝土在一般情況下，至少3～4d就可抵抗水壓力。一旦水滲透在早期形成，將在混凝土結(jié)構(gòu)中形成永久的泄漏通道。

噴射混凝土襯砌背后的水壓力一旦達(dá)到飽和，霜凍會(huì)使在邊坡坡面破壞性膨脹，同時(shí)噴射混凝土本身也會(huì)受到凍融。在永久襯砌中，最終的強(qiáng)度和耐久性非常重要，在臨時(shí)支護(hù)中早期強(qiáng)度最重要。在一般情況下，混凝土的耐久性是通過降低水灰比來實(shí)現(xiàn)?？顾鸵后w是通過使用特殊的改良水泥，比如抗硫酸鹽水泥。另一種提高耐久性措施是利用微SiO2，即硅粉含有85%～95%的非晶態(tài)SiO2超細(xì)火山灰質(zhì)材料。當(dāng)生產(chǎn)高強(qiáng)度混凝土，硅粉是必需的。硅粉用于幾乎所有的濕法纖維噴射混凝土。

為了保證耐久性能，噴射鋼纖維混凝土支護(hù)應(yīng)滿足以下要求：壓縮強(qiáng)度＞35MPa，滲透率＜10～12m／s。

混凝土孔隙特征：對(duì)于抗凍性有嚴(yán)格的要求，普遍接受W／C＜0．45特種水泥。

3 邊坡支護(hù)工程實(shí)例

某邊坡工程，地質(zhì)主要由砂巖和石灰?guī)r組成。地質(zhì)構(gòu)造受阿爾卑斯構(gòu)造影響，該區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為存在復(fù)雜的地質(zhì)斷層和低推力平面，傾斜角度從E15°～W20°（即切割面）。在兩個(gè)滑動(dòng)面上設(shè)置地下水觀測點(diǎn)，深度分別為邊坡面20m和33m的深度。

該地區(qū)的鉆孔揭示組成的地層層序?yàn)?（從上到下）：鈣質(zhì)砂巖、砂質(zhì)灰?guī)r，中新世的巖溶。漸新統(tǒng)的泥灰質(zhì)石灰?guī)r，雜色粘土塑性泥灰?guī)r。存在兩個(gè)主要的滑動(dòng)面分別為19m和30m，坡頂已經(jīng)開裂數(shù)厘米，研究確定存在地下水滲流，地下水對(duì)滑動(dòng)面和泥灰?guī)r層產(chǎn)生重大影響。通過鉆孔進(jìn)一步研究，確認(rèn)存在長度300m，初步估計(jì)潛在的滑動(dòng)體總體積1 175 000m3。

噴射混凝土的設(shè)計(jì)原則：考慮施工現(xiàn)場情況及巖體的工程分類，最后是巖體變形的觀測結(jié)果，一般依據(jù)掉落巖塊模型和楔塊理論。設(shè)計(jì)的濕噴鋼纖維混凝土具有以下性能：

鋼纖維增強(qiáng)混凝土：20～100MPa的壓縮強(qiáng)度，單軸拉伸強(qiáng)度：1．5～6MPa，彎曲強(qiáng)度：3～12MPa，剪切強(qiáng)度：8～12MPa，延性 （斷裂能）2 000～15 000nm／m2與堅(jiān)硬巖石粘結(jié)強(qiáng)度：0．5～2MPa。工程實(shí)例研究表明：纖維減少了鋼筋混凝土裂縫，止裂效應(yīng)明顯，加大了韌性。承載能力延展性增加。鋼纖維混凝土的優(yōu)點(diǎn)之一是迅速具有早期抗拉強(qiáng)度，在溫度為15℃時(shí)，噴射24h后，已達(dá)到70%～80%的混凝土與巖體工作面的粘結(jié)強(qiáng)度。噴射混凝土的速凝劑對(duì)混凝土早期性質(zhì)具有很大的影響。然而，噴射后混凝土中水泥的水化作用對(duì)強(qiáng)度的形成具有決定性。濕噴鋼纖維混凝土應(yīng)與錨桿作用特別是系統(tǒng)錨桿聯(lián)合使用。在噴射混凝土后再進(jìn)行系統(tǒng)錨桿，噴射混凝土起到了防止錨桿之間巖體的松動(dòng)，因?yàn)閹r體破碎時(shí)錨桿之間的粘結(jié)力需噴射混凝土來支護(hù)，同時(shí)錨桿可把巖體與噴射混凝土錨固起來。

在寒區(qū)當(dāng)巖體破碎時(shí)，保持邊坡穩(wěn)定十分困難，而鋼纖維混凝土能在數(shù)分鐘內(nèi)完成支護(hù)。完成噴射混凝土后，如立即進(jìn)行錨桿支護(hù)，以便使?jié)駠婁摾w維混凝土在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生早期強(qiáng)度。

按設(shè)計(jì)要求，在邊坡進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，共設(shè)3個(gè)斷面，每段20m共60m的試驗(yàn)段，鋼纖維噴射混凝土既作為邊坡臨時(shí)支護(hù)形式，又作為邊坡的永久襯砌，分兩次噴射，最小噴射厚度為8cm，最大噴層厚度為22cm。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維濕噴射混凝土的7d平均抗壓強(qiáng)度為20．4MPa，14d平均抗折強(qiáng)度為3．68MPa，其強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求；噴射時(shí)回彈率較小，初凝時(shí)間≤5min，無掉塊現(xiàn)象發(fā)生，實(shí)測坡面回彈率為5．9% ，作業(yè)粉塵濃度為1．1mg／m3；施工混合料中纖維分散均勻，拌合料和易性較好。通過室內(nèi)配合比試驗(yàn)確定了最優(yōu)配合比。由于鋼纖維的抗裂作用以及良好的養(yǎng)護(hù)，未發(fā)現(xiàn)襯砌表面干縮裂縫現(xiàn)象；試驗(yàn)段未見濕漬、滲漏，表明噴射鋼纖維混凝土襯砌具有很好的抗?jié)B性及防水效果，有效防止了水的滲入，從而降低滑動(dòng)面的凍脹與融沉及邊坡頂部冰的冰楔劈裂作用，引起邊坡凍融破壞；濕噴鋼纖維混凝土襯砌具有較高的耐久性，在寒區(qū)邊坡支護(hù)中具有積極作用。

4 結(jié) 論

通過研究，表明濕噴鋼纖維混凝土在寒區(qū)邊坡支護(hù)中具有明顯優(yōu)勢：①濕噴鋼纖維混凝土的物理性能好，減少了混凝土的用量且早期強(qiáng)度高；②由于鋼纖維直接與水泥漿拌合保證了其粘結(jié)強(qiáng)度，既可用于臨時(shí)支護(hù)，也可用于永久支護(hù)；③噴射混凝土可用于不規(guī)則的坡面及噴射層很薄，而其他混凝土襯砌很難做到并且噴射混凝土可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷作業(yè)；④相同支護(hù)強(qiáng)度，噴射鋼纖維混凝土的厚度比鋼筋混凝土襯砌薄；⑤鋼纖維噴射混凝土成本雖然比鋼筋混凝土高，由于縮短了施工工期，最終造價(jià)還是低的。噴射鋼纖維混凝土在寒區(qū)邊坡加固領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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