湿喷钢纤维混凝土在寒区边坡工程的应用

丁 琳，王 丹，王红梅，温和哲

（1．黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080；2．东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040；3．黑龙江省交通科学研究所，哈尔滨 150080）

0 前 言

喷射混凝土在寒区边坡加固中具有广泛的应用前景，并可节省开挖量［1］。湿喷混凝土外加剂可改善钢纤维和微硅粉 （火山灰添加剂）的操作性能。喷浆机器人的应用极大地提高了效率［2］。

现在喷射混凝土约55%的总体积是纤维喷射混凝土［3－4］。喷射混凝土90%以上是用于与岩石永久衬砌。钢纤维含量通常占体积的0．5%～1%［5－6］。

1 钢纤维增强混凝土的临时支护

岩石质量差且需要快速支持时，通常使用湿法纤维混凝土用于临时支护喷射混凝土，具有以下优点：钢纤维喷射混凝土早强度高，钢纤维喷射混凝土1d的单轴抗压强度为33N／mm2，是素喷射混凝土16～17N／mm2的一倍［7］。产生一个快速的增强作用，有助于喷射混凝土与边坡岩石紧密结合，粘接强度大，粘接效果佳；依据实际需求，可具体调整钢纤维混合比和水灰比。喷射混凝土龄期与单轴抗压强度、抗拉强度的关系见表1、表2。

表1 喷射混凝土龄期与单轴抗压强度对比表Table 1 Shotcrete compressive strength with age

表2 喷射混凝土龄期与抗拉强度对比表Table 2 Shotcrete tensile strength with age

通过使用遥控机器人喷射混凝土，使施工人员远离噪音，同时可与施工面近距离操作，实现安全和清洁的工作环境；效率为人工的3～6倍［8］；反弹小，反弹率约为5%～10%［9］。

素喷射混凝土容易出现变形破坏：当素混凝土达到极限压力时，产生破裂，而钢纤维喷射混凝土达到极限破坏后，残余强度仍为50%左右，变形通常小于10mm。钢纤维喷射混凝土能量吸收率为素喷射混凝土10～50倍［10］。

岩石边坡的一个重要方面是保持边坡稳定，即避免岩石滑坡和崩溃。此外，钢纤维混凝土的快速支护将减少边坡变形，提高其稳定性。通过使用快速硬化普通硅酸盐水泥，减水剂 （非阻燃）和20～30℃养护混凝土及喷浆来实现［11－12］。喷射混凝土配合比：水泥∶骨料∶硅粉＝1∶3∶0．1。

在早期阶段，即第4～6h，强度产生主要在于温度［13］。然而，它最终强度的主要贡献来源于水泥的水化作用。

钢纤维喷射混凝土应通过系统锚杆后进行喷锚。喷混凝土的作用是防止锚杆松动，尤其是在区域之间的螺栓［14］。由于粘结强度不可预计，喷射混凝土和锚杆之间的接触强度，加强了岩体和混凝土之间的相互作用［15］。

在恶劣地质条件下的边坡，数分钟即可完成钢纤维混凝土喷射。锚杆支护应尽快完成后喷射。使用早期强度，锚杆通过喷射混凝土可以无延迟立即发挥作用。

锚喷组合在相对较少的大块岩体应用。锚块可以喷锚。重要的岩石喷锚应依据地质调查及现场观测。

钢纤维喷射混凝土衬砌含有体积1%18mm钢纤维，其具有的承载能力和延性优于相同厚度的钢丝网支护。

2 钢纤维增强混凝土的永久支护

在岩石边坡中往往需要与永久支护相结合的临时衬砌，有效防止岩石崩溃。

冻融循环作用，水的流入作用，会降低寒区边坡稳定性，所以锚杆与湿喷钢纤维混凝土具有经济合理性，并将永久及临时支护相结合，掺入钢纤维硅粉的混凝土可作为永久支护或至少是部分支护。寒区边坡中处理水的作用很重要，而且具有良好的经济性，喷射混凝土应结合排水、采用适当的保温措施。喷射混凝土适用于集中和偏转的泄漏。普通混凝土在一般情况下，至少3～4d就可抵抗水压力。一旦水渗透在早期形成，将在混凝土结构中形成永久的泄漏通道。

喷射混凝土衬砌背后的水压力一旦达到饱和，霜冻会使在边坡坡面破坏性膨胀，同时喷射混凝土本身也会受到冻融。在永久衬砌中，最终的强度和耐久性非常重要，在临时支护中早期强度最重要。在一般情况下，混凝土的耐久性是通过降低水灰比来实现。抗水和液体是通过使用特殊的改良水泥，比如抗硫酸盐水泥。另一种提高耐久性措施是利用微SiO2，即硅粉含有85%～95%的非晶态SiO2超细火山灰质材料。当生产高强度混凝土，硅粉是必需的。硅粉用于几乎所有的湿法纤维喷射混凝土。

为了保证耐久性能，喷射钢纤维混凝土支护应满足以下要求：压缩强度＞35MPa，渗透率＜10～12m／s。

混凝土孔隙特征：对于抗冻性有严格的要求，普遍接受W／C＜0．45特种水泥。

3 边坡支护工程实例

某边坡工程，地质主要由砂岩和石灰岩组成。地质构造受阿尔卑斯构造影响，该区地质结构特点为存在复杂的地质断层和低推力平面，倾斜角度从E15°～W20°（即切割面）。在两个滑动面上设置地下水观测点，深度分别为边坡面20m和33m的深度。

该地区的钻孔揭示组成的地层层序为 （从上到下）：钙质砂岩、砂质灰岩，中新世的岩溶。渐新统的泥灰质石灰岩，杂色粘土塑性泥灰岩。存在两个主要的滑动面分别为19m和30m，坡顶已经开裂数厘米，研究确定存在地下水渗流，地下水对滑动面和泥灰岩层产生重大影响。通过钻孔进一步研究，确认存在长度300m，初步估计潜在的滑动体总体积1 175 000m3。

喷射混凝土的设计原则：考虑施工现场情况及岩体的工程分类，最后是岩体变形的观测结果，一般依据掉落岩块模型和楔块理论。设计的湿喷钢纤维混凝土具有以下性能：

钢纤维增强混凝土：20～100MPa的压缩强度，单轴拉伸强度：1．5～6MPa，弯曲强度：3～12MPa，剪切强度：8～12MPa，延性 （断裂能）2 000～15 000nm／m2与坚硬岩石粘结强度：0．5～2MPa。工程实例研究表明：纤维减少了钢筋混凝土裂缝，止裂效应明显，加大了韧性。承载能力延展性增加。钢纤维混凝土的优点之一是迅速具有早期抗拉强度，在温度为15℃时，喷射24h后，已达到70%～80%的混凝土与岩体工作面的粘结强度。喷射混凝土的速凝剂对混凝土早期性质具有很大的影响。然而，喷射后混凝土中水泥的水化作用对强度的形成具有决定性。湿喷钢纤维混凝土应与锚杆作用特别是系统锚杆联合使用。在喷射混凝土后再进行系统锚杆，喷射混凝土起到了防止锚杆之间岩体的松动，因为岩体破碎时锚杆之间的粘结力需喷射混凝土来支护，同时锚杆可把岩体与喷射混凝土锚固起来。

在寒区当岩体破碎时，保持边坡稳定十分困难，而钢纤维混凝土能在数分钟内完成支护。完成喷射混凝土后，如立即进行锚杆支护，以便使湿喷钢纤维混凝土在短时间内产生早期强度。

按设计要求，在边坡进行了现场试验，共设3个断面，每段20m共60m的试验段，钢纤维喷射混凝土既作为边坡临时支护形式，又作为边坡的永久衬砌，分两次喷射，最小喷射厚度为8cm，最大喷层厚度为22cm。试验结果表明，钢纤维湿喷射混凝土的7d平均抗压强度为20．4MPa，14d平均抗折强度为3．68MPa，其强度均满足设计要求；喷射时回弹率较小，初凝时间≤5min，无掉块现象发生，实测坡面回弹率为5．9% ，作业粉尘浓度为1．1mg／m3；施工混合料中纤维分散均匀，拌合料和易性较好。通过室内配合比试验确定了最优配合比。由于钢纤维的抗裂作用以及良好的养护，未发现衬砌表面干缩裂缝现象；试验段未见湿渍、渗漏，表明喷射钢纤维混凝土衬砌具有很好的抗渗性及防水效果，有效防止了水的渗入，从而降低滑动面的冻胀与融沉及边坡顶部冰的冰楔劈裂作用，引起边坡冻融破坏；湿喷钢纤维混凝土衬砌具有较高的耐久性，在寒区边坡支护中具有积极作用。

4 结 论

通过研究，表明湿喷钢纤维混凝土在寒区边坡支护中具有明显优势：①湿喷钢纤维混凝土的物理性能好，减少了混凝土的用量且早期强度高；②由于钢纤维直接与水泥浆拌合保证了其粘结强度，既可用于临时支护，也可用于永久支护；③喷射混凝土可用于不规则的坡面及喷射层很薄，而其他混凝土衬砌很难做到并且喷射混凝土可以实现连续不间断作业；④相同支护强度，喷射钢纤维混凝土的厚度比钢筋混凝土衬砌薄；⑤钢纤维喷射混凝土成本虽然比钢筋混凝土高，由于缩短了施工工期，最终造价还是低的。喷射钢纤维混凝土在寒区边坡加固领域具有广泛的应用前景。

［1］CEB－FIP model code 1990：Design code［S］．London：Thomas Telford，1994．

［2］ACI Committee 209，Prediction of creep，shrinkage and temperature effects in concrete structures （ACI209R－92）［S］．Detroit：American Concrete Institute，1992．

［3］Bazant Z P，Sandeep B．Creep and shrinkage rediction model for analysis and design of concrete tructures：Model B3［R］．Farmington Hills，Michigan：Concrete Institute，2000．

［4］Gardner N J，Lockman M J．Design provisions for drying hrinkage and creep of normal－strength concrete［J］．ACI aterials Journal，2001，98 （2）：159－167．

［5］周 浪．纤维混凝土柱屈服强度分析 ［J］．建筑科学，2011，27 （1）：1－3．Zhou L．Creep analysis of fiber straps－wrapped ongterm concrete columns［J］．Building Science，2011，27（1）：1－3．（in Chinese）

［6］柯敏勇，刘海洋，陈 松．桥用高强混凝土双轴徐变试验研究 ［J］．建筑结构学报，2012，33 （6）：116－122．Ke M Y，Liu H X，Chen S．Biaxial creep xperiment for high strength concrete in bridge ngineering［J］．Journal of Building Structures，2012，33 （6）：116－122．（in Chinese）

［7］Marangon E，Toledo Filho R D，Fairbairn E M R．Basic reep under compression and direct tension loads of elfcompacting－steel fibers reinforced concrete ［J］．High erformance Fiber Reinforced Cement Composites 6．RILEM Bookseries，2012，2 （3）：171－178．

［8］李继业．混凝土配制实用手册 ［K］．北京：化学工业出版社，2008：191－205．Li J Y．Practical technology manuals of concrete mix design［K］．Beijing：Chemical Industry Press，2008：191－205．（in Chinese）．

［9］Sercombe J，Hellmich C，Ulm F J，et al．Modeling of early－age creep of shotcrete．I：Model and model parameters ［J］．Journal of Engineering Mechanics，ASCE，2000，126 （3）：284－291．

［10］Hellmich C，Sercombe J，Ulm F J，et al．Modeling of early－age creep of shotcrete．Ⅱ：Application to tunneling［J］．Journal of Engineering Mechanics，ASCE，2000，126 （3）：292－299．

［11］Pichler C，Lackner R，Mang H．A multiscale model for creep of shotcrete from logarithmic－type viscous behavior of CSH at theμm－scale to macroscopic tunnel analysis［J］．Journal of Advanced Concrete Technology，2008，6 （1）：91－110．

［12］李洪泉，杨成永，陆景慧．干缩和徐变对隧道喷射混凝土支护安全的影响 ［J］．北京交通大学学报，2009，33 （4）：18－22．

［13］成胜权，王 琛，丁 琳．饱和粉煤灰混凝土早期强度与含水率关系的试验研究 ［J］．黑龙江大学工程学报，2012，3 （2）：17－21．

［14］杨 平．人工冻结法在地铁建设中的应用与发展［J］．森林工程，2012，（6）：74－79．

［15］何永明，丁柏群．冰雪条件下高速公路通行能力衰减仿真研究 ［J］．森林工程，2012，（2）：68－71．