加卸载条件下喷射混凝土力学特性试验研究_王京九.pdf

Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 加卸载条件下喷射混凝土力学特性试验研究 王京九 1， 查文华1， 彭秋凡2 （1.东华理工大学 土木与建筑工程学院， 江西 南昌 330013； 2.上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032） 摘要 为了研究喷射混凝土在加固支护后的力学特性， 开展了循环加卸载下不同配比的混凝 土试样力学试验， 分析了不同骨料粒径和水灰比下混凝土试样的强度特征、 变形特征以及应变 随时间的变化规律。研究结果表明 在加卸围压试验中， 可利用混凝土试样损坏时的围压与卸载 时围压的比值来评判混凝土的强度， 比值越小， 代表混凝土试样的强度越高； 在加卸围压试验中 试样的应变比常规三轴试验小， 低水灰比和小粒径的试样的脆性破坏更显著， 破裂面更加完整； 试样的破坏强度大体上呈现随着粒径的减小， 破坏强度增大的趋势； 水灰比较高的试样， 在卸载 试验中存在延时破坏的特征。 关键词 喷射混凝土； 卸载作用； 剪切破坏； 粒径； 水灰比； 巷道支护 中图分类号 TD353.3文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 11-0044-06 Experimental Study on Mechanical Properties of Shotcrete Under Loading and Unloading Condition WANG Jingjiu1, ZHA Wenhua1, PENG Qiufan2 （1.School of Civil and Architectural Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China; 2.Shanghai Jianke Engineering Consulting Co., Ltd., Shanghai 200032, China） Abstract In order to study the mechanical properties of shotcrete after reinforcement, the mechanical tests of concrete with different ratios under cyclic loading and unloading were carried out, and the strength characteristics, deation characteristics and strain changes with time of concrete with different aggregate particle sizes and water-cement ratios were analyzed. The results show that the concrete strength can be uated by the ratio of confining pressure when concrete samples are damaged to that when concrete samples are unloaded. The smaller the ratio is, the higher the strength of concrete samples is. In the confining pressure test, the strain of the sample is smaller than that of the conventional triaxial test, the brittle failure of the sample with low water-cement ratio and small particle size is more significant, and the fracture surface is more complete. The failure strength of the sample increases with the decrease of particle size. The sample with high water ash has the characteristics of delayed failure in unloading test. Key words shotcrete; unloading effect; shear failure; particle size; water-cement ratio; roadway support 喷射混凝土加固支护技术近些年来发展迅速， 被广泛应用在各种工程领域，其在支护矿井巷道方 面有着其独到的功能和优良的效益。随着浅部煤炭 资源的开采殆尽， 目前煤矿开采深度高达 1 500 m， 深部开采将会面临的挑战是强烈的“三高一扰动” 现象， 导致巷道的稳定性受到极大的威胁[1-3]。而且 我国的深部地应力还具有一定的非均匀性[4-6]。在高 地应力作用下围岩内部的微小裂隙不断扩大，联结 贯通， 演化成破裂面， 最终发生破坏。这些都是巷道 加固支护会面临的主要问题[7-9]。 围岩破坏会导致巷道变形，巷道变形会使喷射 混凝土受力状态发生改变，会导致喷射混凝土在压 力作用下产生拉伸破裂，不再是 1 个整体结构， 能 量在破裂处进行释放。如果从加卸载方面进行考 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.009 王京九， 查文华， 彭秋凡.加卸载条件下喷射混凝土力学特性试验研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11 ） 44-49. WANG Jingjiu, ZHA Wenhua, PENG Qiufan. Experimental Study on Mechanical Properties of Shotcrete Un－ der Loading and Unloading Condition ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 44-49.移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （51964002， 51474005） ； 东 华理工大学研究生创新基金资助项目 （YC2019-S281） 44 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 虑，这个过程可以看作是加载与卸载来回交替进行 的。巷道变形导致喷射混凝土受压， 视为加压阶段； 在其压坏之前，会在其受压外围形成拉伸裂缝， 视 为卸压阶段；然后在压力作用下产生进一步破坏， 导致支护效果下降。因此对于喷射混凝土在荷载变 化条件下的力学特征的研究就变得尤其重要。 学者们在研究混凝土的力学特性方面进行了大 量研究， 并取得了丰富的成果。 李树忱[10]发现巷道的 超欠挖状态会影响喷射混凝土的支护性能，主要表 现是不同位置的应力状态是不一样的。徐全[11]研究 指出喷混凝土与围岩间接触面的力学性质是随时间 发生变化， 但是没有对其力学特性展开研究。 方芳[12] 指出冲击荷载会影响素混凝土和碳纤维布约束混凝 土的力学性能， 只是对比了 2 种混凝土的力学性能。 丁莎[13]指出喷射粉煤灰混凝土抗压强度随粉煤灰掺 量增加先上升后下降,劈裂抗拉强度随之上升。 刘智[14] 建立循环荷载下考虑滞回效应的混凝土损伤模型, 能够描述混凝土滞回效应材料刚度退化与损伤积 累。文献[15-17]研究发现混杂纤维混凝土的抗压、 抗拉、抗弯强度和韧度比等力学性能总体上优于单 一纤维混凝土。胡晓鹏[18]得到随着混凝土龄期的增 长，混凝土的弹性变形阶段变长，同一应力水平下 混凝土的轴向变形减小，混凝土的峰值应力、峰值 应变减小。张军[19]指出混凝土已发生剪切破坏断面 间的机械咬合力是导致混凝土抗剪强度相比高于抗 拉强度的原因。张华[20]研究发现混凝土的强度随着 应变率的提高而增大， 峰值应力、 峰值应变、 弹性模 量均随应变率的增大而增加。 通过上述研究可以看出，对喷射混凝土的力学 特性研究方法多为单调荷载对其的影响，对于加卸 载作用下混凝土的力学特性鲜有报道，而喷射混凝 土的好与坏围岩巷道的安全息息相关，因此对其力 学特性的研究很有必要，同时分析应力条件与内部 结构等影响因素。采取了 2 种水灰比的浆液和 3 种 不同粒径的岩石颗粒进行组合，制作不同配比试样 进行试验。研究结果对喷射混凝土支护加固围岩巷 道的设计具有重要意义。 1试验方案 1.1试样制作 试验所用骨料的来源是祁南煤矿 34下采区的钻 孔岩心。首先将岩心捣碎， 装入岩石筛网， 分选出粒 径为 2.5～5 mm （不含 5 mm ） 、 5～10 mm （不含 10 mm） 和 10～20 mm （不含 20 mm） 的矿物颗粒。试验所使 用的水泥为 P.O 42.5 硅酸盐水泥， 试样的水灰比分 别为 0.5∶1 和 0.75∶1。 将 3 种不同粒径的矿物颗粒和 配置好的水泥浆液进行搅拌，倒入标准模具中进行 固结，期间进行洒水养护， 20 d 后进行脱模并打磨 试样不平整的地方， 使其尺寸达到直径 50 mm、 高度 100 mm 的标准圆柱体。 根据不同水灰比和不同粒径 之间的组合关系， 本次试验共浇筑 12 个试样。试样 照片如图 1。 1.2试验方法 试验方法采用应力控制方法中的增加（σ1-σ3） 差值的试验方法（其中 σ1表示轴向应力， σ3表示围 压） 。试验共分为 3 个阶段。 1） 采用轴向应力和围压分别以 0.1 kN/s 和 0.05 MPa/s 的速率同时进行加载，直至试样达到静水压 力状态。 2） 固定围压不变， 增加轴向应力加载速率至 0.2 kN/s， 观察读数， 确保最终的轴向应力处于峰值 强度的 80。 3） 控制轴向应力保持不变， 随后围压以 0.05 MPa/s 的速率慢慢卸除， 直至试样破坏。 2试验结果分析 2.1卸围压试验下试样的强度特征 卸围压试验条件下与常规三轴试验应力应变对 比曲线如图 2。 图 2 中可以发现卸围压试验条件下的应力应变 曲线存在显著的拐点，脆性破坏现象显著。在试样 加载阶段， 应力应变曲线基本为 1 条切斜直线， 有着 明显的线性特征。当加载完成， 开始进行卸围压后， 试样内部裂隙首先被压紧， 进入弹性阶段， 此时试验 进入屈服阶段， 应力应变曲线基本呈 1 条水平直线， 图 1试样照片 Fig.1Samples photo 45 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 2试样三轴压缩与卸围压对比曲线 Fig.2Three comparison curves of axial compression and unloading confining pressure 随着围压的减小，试样变形开始进入塑性流动阶 段， 此时试样的变形程度迅速增大， 曲线出现拐点， 应力跟着下降， 试样承载力逐渐降低， 试样破坏。 在试样卸载开始之前， 轴向加载速率大， 围压加 载速率小，轴向应变比较大，因此变形主要为轴向 变形。当开始卸除围压后，轴向变形有一定程度的 回弹， 随着卸载的慢慢进行， 试样变形逐步升高， 当 升高到极限值后，试样开始产生膨胀，这一阶段的 变形主要是侧向变形。 试样在卸载试验中加卸载速率、破坏前后轴向 应力和围压的差值见表 1。 此次试验采用试样破坏时的围压 σ31与卸载初 始的围压 σ30的比值来衡量不同配比试样在恒轴 压、 卸围压条件下的强度。此强度系数表达式， 即 f σ31 σ30 （1） 不同试样的强度系数对比图如图 3。从中可以 得到，强度系数值的大小直接对应着试样强度的高 低。在水灰比条件一致时，试样的强度和粒径大小 并没有很明显的关系，大体上随着粒径的增大， 试 样强度降低；在粒径条件一致时，水灰比小的试样 对应的强度系数值小，试样的强度表现出水灰比小 的试样强度高于水灰比大的试样。 2.2卸围压试验下试样的变形特性 2.2.1偏应力应变曲线总体变形特性 试样在恒轴压、卸围压应力条件下的偏应力应 变曲线如图 4。 可以看出在试验加载阶段， 其应力应 变曲线形态基本为 1 条直线， 当进入到卸载阶段， 轴 向应变随着围压的降低而增大，当轴向应变达到一 定大小，应力应变曲线有拐点出现，此时试样的承 载能力迅速降低，轴向应变进一步增大，试样产生 破坏， 此后的应力应变曲线仍有着线性关系。 在水灰比条件一致时，可以得到小粒径试样在 破坏时应力应变曲线上有着较多的拐点，且拐点明 显。分析造成这种现象的原因为小粒径试样内部， 水泥浆液和矿物颗粒可以很好的包裹，内部结构裂 隙少且小。在其卸载阶段， 第 1 次出现拐点的时候， 试样发生了滑移，但是并没有破坏，随着卸压的进 行， 在轴向压力作用下试样先被压紧， 然后顺着破裂 面出现明显滑移， 试样的轴向变形进一步扩大， 可见 到有新的拐点出现， 然后试样产生破坏。 表 1试样恒轴压、 卸围压试验的试验结果 Table 1Test results of constant axial pressure and relief confining pressure tests on samples 试样名称 卸荷 速率/ （MPa s-1） 轴压加 载速率/ （kN s-1） 破坏时 轴向应 力/MPa 破坏时 围压 /MPa 破坏时 应力差 /MPa 破坏时 围压差 /MPa 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 38.4 44.2 38.8 39.4 31.6 40.8 23.2 22.6 21.6 25.6 16.5 21.9 0.32 0.84 1.00 0.53 0.62 3.36 0.38 2.30 1.95 2.90 0.70 2.90 38.08 43.36 37.80 38.87 30.98 37.44 22.82 20.30 19.65 22.70 15.80 19.00 2.68 4.16 2.00 4.47 2.38 1.64 2.62 2.70 1.05 2.10 2.30 2.10 0.5/2.5-5/3 0.5/2.5-5/5 0.5/5-10/3 0.5/5-10/5 0.5/10-20/3 0.5/10-20/5 0.75/2.5-5/3 0.75/2.5-5/5 0.75/5-10/3 0.75/5-10/5 0.75/10-20/3 0.75/10-20/5 注 0.5 和 0.75 表示水泥浆液的 2 种水灰比， 2.5-5、 5-10 和 10-20 分别为骨料的 3 种不同粒径，试样编号的最后 1 个数字为 表示围压值。 例如 0.5/2.5-5/3 表示水灰比为 0.5∶1， 粒径为 2.5～5 mm （不含 5 mm） ， 卸载初始时围压为 3 MPa。 图 3不同水灰比破坏时的强度系数 Fig.3Strength coefficients of different water-cement ratios during failure 46 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 5不同应力条件下轴向应变随时间变化对比曲线 Fig.5The comparison curves of axial strain with time under different stress conditions 图 4不同试样卸围压试验的偏应力-应变曲线 Fig.4The deviation-strain curves of different samples unloading confining pressure tests 在粒径大小一致时，从图上可以看出水灰比小 的试样应力应变曲线上出现较多的拐点，水灰比较 大的试样应力应变曲线在破坏以后有着很好的过 渡， 破坏后变形较小。水灰比大的试样密度小， 内存 在较多裂隙，浆液和矿物颗粒之间胶结不够紧密， 在加载阶段其应力应变曲线表现出明显的非线性， 在卸载破坏以后，其应力应变曲线为一条斜率较小 的直线，线性关系明显，轴向变形随着应力差的增 大而增大。 2.2.2轴向应变随时间变化特点 2 组试样在卸围压条件下与常规三轴试验下轴 向应变随时间变化对比曲线如图 5， P 和 Q 2 点分 别为 2 组试样卸载开始的时间点。 由图 5 可知， 常规三轴试验和卸围压条件下， 在 试样破坏之前，其轴向应变都表现出随着时间的增 加而平稳增大。当增大到一定程度后， 如图 5 （a） ,试 样轴向应变迅速增大， 基本为 1 条垂直线。 由图 5 （b） 可知， 在试样加载阶段， 2 种应力条件 下曲线基本重合。常规三轴试验在继续加载下， 轴 向应变迅速增大，随后破坏。卸围压试样的应变先 经历了一段随时间变化缓慢增长，曲线表现为 1 个 下降的趋势，随着卸载进行，试样进入到加速变形 阶段， 随后发生破坏， 破坏所需的时间有所变长。 3卸围压试验下试样的宏观破坏特征 2 组不同水灰比和颗粒粒径的试样在加卸载后 破坏后的照片如图 6。 从中可以看出， 剪切破坏和劈 47 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 6试样破坏后的照片 Fig.6Photos of the damaged specimens 裂-剪切破坏是试样的主要破坏形式。当粒径条件 一致时，水灰比较小的试样破裂面比较平整，基本 无碎屑脱落，水灰比大的试样破坏程度较高，破裂 面不整齐， 破坏形式为劈裂-剪切破坏， 并伴随有岩 屑脱落； 当水灰比为 0.5∶1 时， 粒径较小的试样破坏 程度小， 破裂面平整， 沿着破裂面进行剪切滑移， 发 生剪切破坏； 当水灰比一致时， 增大矿物粒径， 试样 的破裂面变得粗糙， 伴随有局部破碎。 通过对试样内部结构的分析， 可以得到 对于水 灰比和粒径值小的试样，浆液和颗粒充分接触， 留 有的孔隙很少， 结构较为完整， 在加载阶段， 应力应 变曲线基本为 1 条直线。当加载至峰值荷载的 80 后，内部结构依旧存在微小的裂隙。当进入卸载阶 段，围压逐渐减小，在试样内部的微小裂隙尖端就 会产生拉应力集中，会导致微小裂隙迅速增大， 慢 慢产生较大的张裂隙，在这些张裂隙的软弱部位就 会出现剪应力集中，裂隙进一步扩大，在试样内部 彼此间开始联通。随着围压的进一步降低，试样会 在较宽长的张裂隙处形成剪切贯通劈裂带，试样出 现破裂面，此时应力值有所降低，对应着曲线上第 一个拐点，随后试样就顺着剪切贯通劈裂带产生剪 切破坏， 呈现出整齐的破裂面， 曲线上出现第 2 个拐 点， 如图 4 （a） 。 4结论 1） 卸围压阶段， 轴向变形并不是不变的， 而是有 一定程度的回弹，随着围压的降低，变形程度逐渐 增大，直至试样体积开始膨胀，这一阶段的变形主 要是侧向变形。随围压进一步减小， 侧向变形加剧， 试样体积扩大显著， 试样产生破坏。 2） 卸围压阶段， 试样的破坏强度大体上呈现出， 随着粒径的减小，破坏强度增大的趋势。主要原因 是小粒径试样粒径接触空间少，较小的粒径之间的 耦合作用更好， 不容易发生破坏。 3） 试样在试验中主要发生剪切破坏和劈裂-剪 切破坏。在水灰比为 0.5∶1 时， 随着粒径的增大， 破 裂面会变得粗糙， 但破坏形式不会发生变化， 依旧是 剪切破坏。在粒径条件一致时， 随着水灰比的增大， 试样破坏程度增大，破裂面不平整，破坏形式为劈 裂-剪切破坏， 破坏具有一定的延后。 4） 基于试验结果， 认为在使用喷射混凝土支护 围岩巷道时应增大锚杆预应力和提升喷射混凝土性 能以提高围岩稳定性。 参考文献 ［1］ 谢和平， 高峰， 鞠杨， 等.深地科学领域的若干颠覆性 技术构想和研究方向 ［J］ .工程科学与技术， 2017， 49 （1） 1-8. ［2］ 何富连， 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