喷射混凝土黏结特性研究进展

罗 琳 刘 雄 包春燕

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000;2.浙江有色地质环境研究院，浙江 绍兴 312000)

0 引言

喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气或者其他动力，将按一定比例配合的拌合料，通过管道输送并以高速喷射到受喷面(岩面、模板、旧建筑物)上凝结硬化而成的一种混凝土，由水、水泥和骨料以及各种添加剂组成[1].与传统的现场浇筑混凝土不同，喷射混凝土无需立模振捣，而是通过高压喷射，连续喷射在受喷面上，达到密实[2].喷射混凝土支护的作用原理表现为四个方面：(1)支撑作用，喷射混凝土具有良好的物理力学性能，有一定的抗压强度和承载能力，起支撑地压的作用；(2)转化作用，喷射混凝土通过黏结力与岩石紧密结合，形成共同承载结构[3]；(3)充填作用，喷射混凝土可以渗透到节理中密封节理，保持岩体的完整性[4]；(4)隔绝作用，喷射混凝土能隔离空气和水[5]，防止空气和水进入岩体节理中[6].当地质条件较差时，喷射混凝土与锚杆一起作用，通过在锚杆之间搭建联系进一步支撑松脱岩石，起到支护作用[7].由于喷射混凝土具有成本低、密实性好、施工简单以及强度增长快等特点，现已广泛应用于矿山围岩支护、交通隧道、巷道修复加固以及混凝土构筑物的浇筑与修补中[8-13].

喷射混凝土由喷射水泥砂浆发展而来.20世纪初，美国首先在矿山中使用了喷射水泥砂浆，20世纪中叶，奥地利的米尔隧洞首次使用了喷射混凝土[14].但是由于水泥凝结时间较长，喷射混凝土并不能很好地与岩石表面黏结，一系列喷射混凝土衬砌隧道的坍塌使得这种方法受到了强烈的质疑.随着速凝剂在喷射混凝土中的应用，喷射混凝土之后能迅速黏结岩石表面，使得喷射混凝土在隧道等的施工中的声誉得以恢复.随后，美国、英国等国家相继在土木工程中使用了喷射混凝土支护[15].

过去对于混凝土的研究往往仅限于龄期[16-17]、动力学特性[18-21]等的研究，有关于喷射混凝土技术的研究也主要表现在以下几个方面：(1)施工机械不断更新，向小型化、多功能化和高效化发展；(2)速凝剂对混凝土凝结速度有重要的影响，其直接影响喷射混凝土的质量，现代速凝剂向无碱液体速凝剂发展[22-23]；(3)在干喷法[24]、湿喷法的基础上，不断完善和发展了新的喷射混凝土施工工艺，如纤维喷射混凝土[25-27]、水泥裹砂法[24]等.正如Barrett和Mcreath[28]所说，喷射混凝土衬砌的效果和喷射混凝土与受喷层(岩石等)交界面的黏结强度有着紧密的联系，是喷射混凝土有效的关键.然而，针对这方面综述的文献却很少.本文就从喷射混凝土发生破坏的类型、测试黏结强度的试验方法以及影响黏结强度的因素进行综述，并提出自己的一些看法.

1 破坏类型和试验方法

1.1 破坏类型

喷射混凝土就像一件外衣，盖在开挖后的隧道或者巷道表面，减少岩石的移动，防止松散岩体的进一步扩展.喷射混凝土的衬砌效果很大程度上取决于黏结强度[28-30],对于地下支护设计，除了需要知道喷射混凝土的弯曲、拉伸、压缩强度，也必须知道黏结强度，黏结强度是一个重要参数[31].根据Malmgren[12],黏结通常被定义为两种材料(例如岩石和喷射混凝土)交界面的强度.因此，更加深刻地了解黏结强度对于隧道整体的稳定性等是非常必要的.

喷射混凝土支护后可能出现破坏，导致支护失效.很多学者认为喷射混凝土支护失效通常是由于喷射混凝土与受喷层交界面的黏结破坏，并且伴随着几毫米的位移，Stille[32]等人在早前的研究中就有类似的阐述.Ansell[33]在瑞典矿山开展的现场试验中也发现，主要破坏类型主要是因为突然消失的喷射混凝土和岩石交界面的黏结力.Holmgren[29]也通过实验室实验发现，最初破坏为黏结破坏.事实上，喷射混凝土的破坏通常分为两步，首先是与岩石黏结的破坏，然后紧接着发生弯曲破坏，这种弯曲破坏是由于已经松脱的岩石的重量加载产生的[28].

具体喷射混凝土的破坏面位置往往还取决于接触区的强度、岩石的强度以及喷射混凝土的强度[12,34].大部分的拉伸破坏发生在接触面或者岩石中[12,30,35].当岩石强度较低时，破坏面就有可能出现在岩石中.早在1980年，Karlsson[34]做的238组实验中发现只有32%的破坏发生在接触区域上.其中227个实验用片麻岩，11个实验用花岗岩.追究原因发现，由于片麻岩强度较低，所以破坏面发生在岩石中的比例增多，因此发生在接触区域的破坏比例相对减少.Malmgren[36]等人也在瑞典Kiirunavaara矿山中发现了两种破坏模式，1)只有喷射混凝土脱落；2)岩石和喷射混凝土一起脱落.经分析发现，第一种模式说明喷射混凝土与岩石之间的黏结强度较低，第二种模式往往发生在岩石强度较低区域.

Fernandez-Delgado[37],Holmgren[38],Vandew-alle[39]利用落块试验模拟了喷射混凝土衬砌上的加载力，对喷射混凝土衬砌的破坏模式进行了系统的研究，并总结了一些规律：对于钢纤维增强混凝土和钢筋网加固混凝土衬砌，当黏结得较好时，往往发生直接剪切破坏；而当黏结效果较差时，发生剥离，发生的破坏模式主要是弯曲和冲剪破坏，间或一些压缩和拉伸破坏，如图1所示.

1.2 试验方法

对于喷射混凝土，必须考虑的黏结强度通常有两种，即抗拉黏结强度和抗剪黏结强度.抗拉黏结强度是衡量喷射混凝土在受到垂直于结合界面上的拉应力时保持黏结的能力，而抗剪黏结强度则是抵抗平行与结合面上作用力的能力.在实际过程中，作用在结合面上的应力，往往是两种应力的结合[1].

检验喷射混凝土与岩石或者混凝土的抗剪黏结强度通常采用斜剪法[40]和直剪法[41]，如图2所示.斜剪试验在一定程度上能反映试件的抗压性能，它的试件为一长方体， 该试件具有一斜向的黏结面，该平面与水平面成60°角.直剪如图所示，剪切面上部受拉剪，下部受压剪.

检验喷射混凝土与岩石抗拉黏结强度的试验方法通常有三种： (1)钻芯拉拔法， 应用最为普遍的一种方法，实验示意图3的(a)中，首先钻取芯样，深入岩石或者旧混凝土结构中数厘米，然后将卡套加紧芯样，需在芯样上用环氧树脂黏钢拉头加压. 随着力的增大，岩芯发生破坏.破坏面可能发生在喷射混凝土中、交界面上或者岩石中.如果破坏主要发生在交界面，那么可直接利用实验中的最大拉伸力确定黏结强度；否则说明黏结强度至少超过了所测得的已破坏岩芯的拉伸强度.这个方法现场和实验室均可用，但是岩芯钻进时可能会引起黏结面的破坏，过程中也会有摩擦阻力的影响.(2)预留试件拉拔法，如图3(b)中，在喷射混凝土之前预埋钢拉杆，喷射混凝土之后用铲刀沿试件轮廓挖出环槽，拉拔时对钢拉杆等施加拉力， 直到试件沿结合面破坏. 该方法在预埋钢拉杆时容易导致加荷偏心，结果不准确.(3)喷大板劈裂法，是指将现场的岩石板放置在喷大板木模中，然后在岩石板上喷射混凝土，取芯样，用劈拉法检测喷射混凝土与岩石劈拉黏结强度的一种方法，图3中(c).劈拉法上下垫条在同一垂直面，但是加工所得试样难以保证混凝土与岩石交界面在垂直面上，因此劈拉过程中有剪切现象，结果偏高[42-43].

图1 喷射混凝土破坏类型总结

(a)斜剪法示意图

(b)直剪法示意图图2 抗剪黏结强度测试方法

(a)钻芯拉拔法 (b)预留试件拉拔法 (c)劈裂法

图3抗拉黏结强度测试方法

鉴于上述三种应用较为普遍的试验方法都存在一定的问题，与真实情况都有一定的偏差，因此国内外研究学者提出了新的喷射混凝土与受喷层黏结强度的检测方法.我国黄国兴[42]等人研究创造了喷射轴拉法，该方法通过采用立钢模喷射成型的方法加工试件，避免了对试件的扰动和损伤，并研究了一种新的加荷不偏心的措施，提高测量结果准确性.国外Bryne[44]等人也提出了一种新的试验方法，拉拔方向与钻芯拉拔法、预埋试件拉拔法相反，可直接测量黏结力，也不会有扰动和摩擦阻力的影响，但是由于拉拔方向的特殊性不能用于岩石墙体的喷射混凝土强度黏结强度的检测.在瑞典发展起来的一个黏结测试试验中，利用摩擦夹紧装置或者核心轴施加直接拉伸力在岩芯上[45].从20世纪90年代，一种喷射薄衬砌的方法在矿业发展起来.对于喷射衬砌，Ozturk[46]提出一种拉拔试验用于测喷射衬砌和受喷层之间黏结强度，该试验方法用强环氧树脂将螺栓黏在衬里上，然后再在螺栓上施加拉拔力.Ozturk[47]还提出了一种基于计算剥离衬砌所需的能量来计算衬砌与受喷层的黏结强度的方法，从能量的角度间接获得黏结强度，为今后研究衬砌黏结强度提供了一个新思路.

2 喷射混凝土特性对其黏结强度的影响

喷射混凝土中的组成(水灰比、砂、石含量)影响着喷射混凝土的黏结强度.喷射混凝土中，水的主要作用是与水泥发生化学反应，产生一定的强度.然而多余的水则会在喷射混凝土之后蒸发，在喷射混凝土表面留下孔隙，影响喷射混凝土与岩石的黏结.因此，在喷射混凝土过程中应该控制水灰比适中，不能太高.良好的砂石粒径级配和质量配比都能较大地提高喷射混凝土的强度，实际工程中一般选用普通细砂或中粒砂.喷射混凝土中，石子的作用是形成骨架结构，砂子的作用是填充孔隙，两者的质量比例应该控制在一定范围内.因为如果石子过多，砂子过少，喷射混凝土就不够密实；相反，如果砂子过多，石子过少，喷射混凝土的骨架就可能不够坚实[48].

喷射混凝土的厚度也是影响黏结强度的重要因素.喷射混凝土衬砌的厚度不能太厚也不能太薄.Malmgren[12]在瑞典矿山中发现，在喷射混凝土区域内，有足够的厚度是非常重要的，应该避免过薄的混凝土区域.因为当喷射混凝土厚度小于20 mm时，90%以上的素混凝土会发生掉落，60%的破坏发生在薄喷射混凝土层与岩石表面连接处.紧接着，他又开展研究表明，随着喷射混凝土厚度的增加，发生在喷射混凝土衬砌内的破坏数量会减少，而交界面的破坏数量会增加，而且发生在交界面的破坏增加的数量比发生在衬砌中的破坏减少的数量来的多，所以总体而言，随着厚度的增加，破坏总数也会增加.因此如果一个很厚的喷射混凝土层的支护能力只是基于黏结强度的话，那么喷射厚混凝土的有利之处就有待商榷了[49].总结而言，喷射混凝土厚度不能过薄或过厚.

3 受喷层特性及表面处理对其黏结强度的影响

3.1 受喷层特性

喷射混凝土常用于地下工程(矿山巷道、隧道的支护)和建筑结构的补强加固，了解喷射混凝土与受喷层(岩石与混凝土)黏结特性尤其重要.据程良奎[1]在其著作中的介绍，喷射混凝土与岩石黏结的强度一般为0.5～1.5 MPa，而与旧混凝土黏结略大，一般有1.0～1.8 MPa.喷射混凝土与岩石的黏结强度也受喷层岩石特性的影响.

早在1979年,Holmgren、Hahn[50]就分别对粗糙的和光滑的9种不同类型岩石板进行了室内喷射混凝土实验，结果如表1.研究发现，黏结强度与矿物成分有关，最高的黏结强度出现在与水泥水化物产生化学反应的岩石中，例如碳酸岩、砂岩和花岗岩；岩石矿物组成比粗糙度的影响大得多；实验还发现，对于片麻岩，层面方向与黏结面方向平行或者垂直，对于黏结强度有很大影响[1].这个发现与Kuchta[30]结果相似，认为在呈片状或者层状的岩石上喷射混凝土，黏结效果并不理想，也就是说黏结强度低.而且，岩石强度对破坏面出现在交界面还是喷射混凝土衬砌中有重要的影响[49]，对于低强度岩石或者结构组成较弱的岩石，如页岩、泥岩，喷射混凝土的效果并不理想[51].类似的，McCreath[28]也发现当岩体中的主要裂隙或薄弱带平行于喷射混凝土与岩石的交界面时，黏结强度也会大大减小.对于上文提到的喷射衬里衬砌，Ozturk[52]也发现受喷层的抗拉强度对于黏结强度也有重要的影响.在受喷层抗拉强度低的岩石上喷射混凝土有可能使得黏结强度下降16%～44%.另外还发现，受喷层岩石的颗粒尺寸越大，喷射的衬里与受喷层的黏结强度也越大.

表1 喷射混凝土与不同岩石类型表面的黏结强度

岩石类型 颗粒尺寸黏结强度/MPa 光面 糙面 页岩 极细颗粒 0.24+0.18 0.28+0.11 云母片岩 中等颗粒 0.58+0.19 0.85+0.35 片麻岩(垂直纹) 中等颗粒 0.19+0.05 0.51+0.11 片麻岩(平行纹) 中等颗粒 1.53+0.28 1.8 石灰岩 泥灰岩 细颗粒 1.49 1.84 礁灰岩 细颗粒 1.58+0.12 1.64+0.3 大理石 中等颗粒 1.38+0.30 1.52+0.28 晶质砂岩 细颗粒 >1.8 >1.8 花岗岩 粗糙微状变晶的 0.34+0.12 1.12+0.20 花岗岩 中细颗粒 1.48+0.46 1.71+0.14 花岗岩 中等颗粒 1.04+0.32 1.40+0.26 辉长岩 中细颗粒 1.56+0.25 1.7

3.2 处理方式

近几十年来国外许多学者对喷射混凝土的受喷层表面处理对黏结强度的影响做了大量研究，见表2.工程实际中常用的表面处理方式主要有高压水射流法、喷砂法、气锤或者凿岩锤凿毛法、钢刷划毛法以及机械切削法等.高压水射流法，是指用高压水枪冲刷黏结面的方法，该方法迅速、施工方便而且对受喷层扰动小，能够提供一个良好的黏结面，提高黏结强度[53-55].气锤、凿岩锤或者电动锤凿毛法是指利用凿毛机械凿毛黏结面的方法，虽然这种方法会使受喷层产生微裂隙形成薄弱带，就像一个“受伤”的表面，降低黏结强度，影响喷射混凝土的支护效果，但由于它较为方便而且所需设备成本较低，工程实践中还是广泛应用[56-57].而喷砂法，是指利用喷砂机处理黏结面，即用喷射机向受喷层表面喷射不同直径钢球或不同粒径的小碎石，这种方法对于黏结强度的影响，还没有一个明确的定论.Felt[58]认为，由于抛光效应，向喷砂法处理的受喷层上喷射混凝土的黏结效果并不好.但是其他学者，Talbot[53]，Hindo[41]，Silfwerbrand[54]，Austin[55]以及Eduardo[59]等人却通过各自的实验发现，喷砂法处理后能够提高黏结强度，加强支护能力.机械切削法是指利用专门的机械对黏结面急性划毛加工，这种机械的方法会引起缺陷，严重减少拉伸黏结能力[55].利用机械方法处理后，需要用水清洗表面才能获得黏结.为了代替机械切削法和之后的水清洗， 高压水射流法得以发展[12].

Kuchta[30]和Malmgren[12]分别用21 MPa和22 MPa的高压水射流处理，前者发现，21 MPa的高压水处理后的黏结强度是0.4 MPa水压得到的黏结强度的4倍，后者也发现22 MPa的高压水处理后所获得的黏结强度比用机械方法处理后用0.7 MPa水清洗处理所获得黏结强度大得多.Talbot[53]把喷砂法和凿岩锤凿毛法结合使用，意外的发现良好的黏结效果.除了这些常用的处理方式，Abu-Tair[57]提出一种针击枪法，但是这种方法和气动电动锤凿毛法一样，会造成受喷层的破坏.Cleland[60]用了一种酸浸蚀的方法对受喷面进行了处理，为喷射混凝土受喷面的处理方法提供了一种新的发展方向，这种方法的缺点是难以保证喷射混凝土时受喷层表面物质是否清理干净.

3.3 粗糙度

黏结面的粗糙度对于黏结强度有一定影响.对喷射混凝土与受喷层黏结面进行处理，是为了获得较为适宜的黏结面粗糙度，使得黏结的接触面积扩大，从而获得良好的黏结质量.正如Austin[65]所说，黏结强度随着黏结面的粗糙度的提高而上升，因为粗糙度提高，接触面积增大.在实际的工程实践中，喷射混凝土通常第一步要做的就是增加受喷层表面的粗糙度[59].早在1956年，Felt[58]就发现，如果受喷层表面轻微粗糙，可以获得良好的黏结效果.Yanting Chang[32]的研究也表明，隧道的不规则表面不太可能会对隧道的安全产生负面的影响，相反地，岩石表面的不规则对衬砌系统的残余强度有一定的贡献，可以减少隧道破坏的危险性.另一方面，岩石表面的粗糙度对于破坏形式也有一定的影响，据Malmgren[49]，岩石表面的粗糙度对于破坏是发生在交界面还是喷射混凝土衬砌中有重要的影响.但是对于上文提过的喷射衬里，Ozturk[52]却通过实验研究发现，受喷层粗糙度并不影响黏结强度，但正如他自己文中所述，这个结论还需要更多资料.

3.4 洁净条件

在喷射混凝土前，保持黏结面的洁净对于喷射混凝土的黏结是十分重要的.表面干净能够获得较好的黏结效果[58].表面物质(油渍、灰尘)会减少黏结强度[52].在喷射混凝土前，应确保表面无灰或者旧混凝土碎块[53]，也不能有油渍.灰尘可以轻松吹走，但是油渍必须要用清洁剂[55].气锤凿毛法处理表面之后，可采用刷子、真空吸尘器来清除小碎片和灰尘[61].其他还可以采用水冲洗、轻度喷蒸汽法、轻度喷砂法、加清洁剂的水冲洗等方法清理黏结面[62].特别是上文提到的酸浸蚀法处理的表面一定要用水清洗干净，避免残留物质对黏结强度产生影响.

3.5 湿度条件

在喷射混凝土之前先预湿受喷层表面已在工程实践中广泛应用，但是它的合理有效性还饱受争议[47]，各国的标准也不尽相同[59].AASHTO-AGC-ARTBA Joint Committee建议除了干燥炎热的夏天，在喷射混凝土前都需保持受喷面表面的干燥[56].而加拿大的标准则建议在喷射混凝土之前表面至少保持湿润24 h[56].瑞典国家道路管理局则建议，筑模前保持湿润48 h，但是喷射时要保证表面干燥[54].

在喷射混凝土前预湿对于黏结是否存在影响还没有一个完整的定论，不同研究学者的想法也不尽相同.Eduardo[59]就认为预湿受喷层似乎并不影响黏结强度.Saucier[56]也认为对于低水灰比的泥浆作为黏结剂时，预湿是没有影响的，但是对于高水灰比的泥浆黏结剂，预湿能够提高黏结的持久性.但是更多的学者认为，受喷层表面的湿润状况也对喷射混凝土与受喷层的黏结性能造成影响.太干或者太湿的受喷层表面都不利于黏结[63].过干的受喷层表面会从新喷的混凝土层中吸收太多的水，太湿则会堵塞毛孔，抑制受喷层对新喷射混凝土的吸收.受喷层的湿度条件决定了喷射混凝土中的水到受喷层中的移动速度，Austin[55]为了研究受喷层湿润状况对黏结强度的影响，制作了四种类型的试件：(1)SSD(saturated surface dry)：受喷层水中浸泡3天，浇筑新混凝土前受喷层吹干；(2)SSW(saturated surface wet)：受喷层水中浸泡3天，直接浇筑；(3)ASD(air surface dry)：室外自然干燥环境，直接浇筑；(4)ASW(air surface wet)：室外自然干燥环境，浇筑前用水喷湿20 min.结果发现，SSD和ASW两种情况的黏结强度高于SSW和ASD，说明太湿或者太干的受喷层都会造成较低的黏结.而且，在新喷射混凝土前，需要控制受喷层表面无明水.因为水的存在阻止了喷射混凝土与受喷层良好接触的形成[64].虽然在喷射混凝土前是否需要预湿还没有一个明确的规定，但是一般认为在干燥炎热的夏天，通常认为预湿是必要的，因为它可以降低受喷层表面的温度，以及降低黏结层由于高温可能发生弯曲的可能性[53].

4 爆破振动对喷射混凝土黏结特性的影响

喷射混凝土最基本的功能就是在混凝土和岩石之间建立一个黏结的能力.喷射混凝土往往应用于地下矿山巷道和隧道的支护.大部分情况，开挖巷道或者隧道都是通过爆破来破碎岩石的.然而在实际工程中，支护的设计往往只考虑静态载荷对于支护的影响，而未充分考虑喷射混凝土实际所受的动态载荷的影响.动态载荷的一个最重要的来源就是地下矿山和隧道开挖中的炸药爆炸.当炸药爆炸时，产生的应力波沿着各个方向往外传播，P波(压缩波)传播的速度比S波(剪切波)快.所以当两种波同时产生时，P波总是首先达到观测点.应力波传播过程中，逐渐消耗能量，应力波也逐渐衰减.当应力波到达自由面时，反射的拉伸波可能引起完整岩石的拉伸破坏、节理的分离或者喷射混凝土与岩石接触面的破坏，影响支护效果.因此，研究爆破振动对喷射混凝土与岩石交界面力学特性的影响变得尤为重要.

4.1 振动速度

在各国的爆破控制中，常以质点振动速度作为爆破振动的度量准则.许多学者通过现场试验来研究爆破振动对喷射混凝土支护影响时，也采用记录质点振动速度的方法.日本的Nakano[65]等人最早在隧道中进行了实验，发现0.7 m/s的振动速度会导致喷射混凝土衬砌开裂.Ansell[33]等人在瑞典Kiirunavaara矿山开展了现场实验，将素混凝土喷射在开挖隧道后的墙体上，利用放在岩石内部的炸药爆炸产生冲击波，安装在岩石表面0.5 m深的加速度计测得的信号转换成质点振动速度.结果表明，早期(1～25 h)素混凝土在0.5～1.0 m/s的振动速度下，没有严重破坏；当振动速度达到1.0 m/s以上时，黏结力消失并弹出岩块.McCreath和Tannant[66]等人在加拿大矿山用钢纤维和钢筋网喷射混凝土做了类似实验，发现钢纤维混凝土能够承受振动速度达到1.5～2.0 m/s，金属网喷射混凝土能够承受的振动速度更是高达2.0～6.0 m/s，且这种振动速度下也只有少数裂纹.当出现大规模裂隙时，金属网喷射混凝土仍然能够支撑破碎的岩石，但是钢纤维喷射混凝土却会丧失支撑能力，并且成为一种安全隐患.Malmgren[67]测量结果发现最大质点振动速度大约为1.2 m/s.李夕兵[68]等通过现场质点震速监测和信号分析，根据爆破动力学理论，探讨了混凝土龄期对初衬喷射混凝土累积损伤的影响，提出了单次爆破对混凝土的损伤增量及多次爆破对混凝土的累积损伤的计算方法.Ahmed L[69]等人在实验室模拟了应力波从炸药爆炸到喷射混凝土与岩石表面的传播过程.实验由冲击装置、试样以及测量装置三部分组成，如图4所示，利用一个可以产生与爆炸同类型应力波的冲击锤撞击混凝土杆(岩石替代物)，利用四个加速度计来测量实验结果，其中三个安装在混凝土杆上，第四个安装在喷射混凝土末端的水泥砂浆中(喷射混凝土替代物)，测量结果见表4.

4.2 冲击加载能

Ortlepp[70]采用如图5所示的实验设备，利用落锤产生不同冲击加载能(模拟不同程度的岩爆)，混凝土块模拟破碎岩体，测试了不同类型的金属网、钢丝绳和纤维喷射混凝土对不同冲击能的响应. 研究发现， 钢纤维和聚合物纤维喷射混凝土在地震中可作为较好的支撑.当低强度的岩爆发生时，纤维混凝土与可伸缩钢筋一起使用；当冲击能量大约为10 KJ/m2时，纤维混凝土可提供足够支撑；但是对于钢纤维混凝土需要考虑腐蚀可能严重减弱长期支撑效果；而聚合物纤维混凝土的支撑能力却非常有限.

Ansell[71]结合现场数据，分别对小、大型爆破做了模拟计算， 对于完全硬化的混凝土， 得到了不同炸药质量爆炸下、不同喷射混凝土厚度的允许爆炸的最小安全距离[72]，结果如表5.接着，Ansell[73]又考虑了喷射混凝土强度随龄期增长变化的特性，计算了早期硬化的喷射混凝土的响应，给出了有关于爆炸点与喷射混凝土间距分别为2 m、4 m时不同炸药质量、不同喷射混凝土厚度的允许爆炸的最短时间的意见，见表6.

表3 黏结破坏发生时的振动速度

作者(年份)结 果(/m·s-1)备 注Nakano Japan(1993)PPV0.7Ansell Swedish(2004)PPV0.5～1.0早期素混凝土McCreath Tannant Canada(1994)PPV1.5～2.0钢纤维混凝土PPV2.0～6.0部分的金属网混凝土Malmgren(2006)PPV大约1.2

表4 Ahmed L[69]实验结果

喷射混凝土厚度/mm龄期6 h/(m·s-1)龄期18～24 h/(m·s-1)≦50 PPV 0.2PPV 0.5～1.0≦100 PPV 0.1PPV 0.3～0.5

图4 冲击锤实验装置示意图

图5 Ortlepp的实验设备示意图

4.3 加载频率

2012年，Ahmed L[74]又把岩石和加载特性纳入考虑，经过计算模拟，结果如表6所示，给出了炸药质量为2 kg时不同喷射混凝土厚度、不同岩石质量和加载频率下的最小安全距离.表中的加载频率f的增加表示更高的加载水平，岩石弹模E的减小则表示岩石中更多裂缝的存在.如表中所示，加载频率的增加所需的安全距离也变大，与实际情况相符.模拟结果对于隧道开挖和地下结构具有指导性的意义，但是不足之处在于模拟的加载水平以及岩石质量范围太小，不能全面模拟实际情况.

5 存在问题以及发展趋势

国内外很多研究人员为了使得喷射混凝土达到最好的支护效果，对于喷射混凝土与岩石交界面的力学特性做了研究，并发表了大量文献，本文对近几十年的喷射混凝土力学特性的相关文献进行了综述，从喷射混凝土破坏类型、试验方法、影响因素等三个方面进行了详细介绍，总结提炼出了一些规律.

表6炸药质量为2kg考虑岩石和加载特性的最小安全距离(m)

喷射混凝土厚度/mmE=16 Gpaf=1 265 HzE=40 Gpaf=2 000 HzE=40 Gpaf=2 500 Hz251.82.53.5501.01.52.91000.70.81.2

虽然大量研究人员对喷射混凝土与岩石交界面的黏结特性进行了研究，但是喷射混凝土与岩石交界面的力学特性不同于单纯的岩石或者混凝土，双相介质以及交界面涉及的影响因素很多，复杂程度尤为显著.通过对历史上相关文献的分析比较，需要解决的问题和今后的研究方向主要是以下几个方面.

(1)作为岩石表面关键特征参数，粗糙度对喷射混凝土支护的影响具有重要研究价值.目前研究表明，喷射混凝土的力学行为易受到岩石表面粗糙度的影响，但其破坏模式和内在机理并没有研究透彻.之前的研究也只停留在定性的层面，而从未给出定量的结果.

(2)虽然在工程实践中，岩石表面往往会先用水预湿，但是这种处理是否有效还有待商榷.目前的研究还需要解决在不同的喷射混凝土的作业条件下，是否需要预湿、预湿时间的长短等问题.

(3)矿岩破碎、高速冲击等工程现象和地震、岩爆等自然现象，都激起了人们对于岩石动力学的研究.岩石支护在往往处于冲击荷载的作用下，因此研究岩石与支护共同的动力学特性也成为了冲击动力学的一个重要研究方向.但是由于其涉及两相介质，冲击荷载的研究较静载而言也颇为复杂，目前研究并不深入.

(4)从已有的研究成果看，前人较多的都是将喷射混凝土作为一个单独的研究对象，针对其压缩、拉伸等常规力学特性展开试验研究，而将喷射混凝土和被支护围岩体作为一个联合体研究其耦合力学特性的试验研究相对较少，使得目前实际应用遇到的问题在现有理论基础上仍无法得到突破.而将喷射混凝土和围岩体作为一个整体进行研究，首要的问题是探索喷射混凝土和围岩体之间黏结力学特性，为下一步解决联合体支护试验研究和工程应用方案设计提供理论基础.

(5)在工程实践中，对于岩石分类等级较低的岩石，往往会采用多种支护方式组合的方式对脆弱岩石进行支护，比如锚杆、金属网等.组合支护方式下，各自与岩石的相互作用、各支护方式之间的相互作用机理将会成为研究的热点.