国外竖井论文7：钢纤维混凝土在土木和矿山竖井中的应用

发布时间:2024-02-16

钢纤维混凝土在土木和矿山竖井中的应用

班诺特.希维，法国.贝卡尔特

摘 要：近年来，在不同国家都对钢纤维混凝土的性能进行了许多试验研究。他们都对开发更好性能的钢纤维混凝土（SFRC）做出了极大贡献，从而可以更好地了解这种材料的力学性能，并说明了为工程项目提出的最低性能要求。本文通过标准试验方法介绍材料性能的测定，以及介绍针对喷射混凝土测试的一些过程改进，目的是：

1）为尺寸标注方法提供力学性能参数

2）使钢纤维混凝土的使用能符将纤维纳入模型的2010规范，

事实上，在深井中使用钢纤维混凝土时，需要在设计考虑中很好掌握材料性能知识。

Theuse of steel fibre reinforced concrete for Civil Engineering Shafts and mine shaft 

Benoit De Rivaz, Bekaert France

Abstract：Multiple research studies and tests on the behaviour of steel fiber reinforced concrete have been carried out in recent years in various countries. They have greatly contributed to a better characterization of Steel Fibre Reinforced Concrete (SFRC), and have thus allowed to gain a better understanding of the behaviour of this material and to specify minimum performance requirements for each project. 

This article will present the material property determination using standardized testing methods and some improvement in the test procedure for sprayed concrete in order to:  obtain a mechanical property to be used as input for the dimensioning method  be in line with International recommendation as model code 2010 edited by fib 

Indeed the use of SFRC in deep shaft required a good knowledge about materials properties taking in account in the design  

1. 引言

欧洲标准EN 14487-1提到了根据残余强度与能量吸收能力来测定纤维增强型喷射混凝土的延展性的不同的方法。同时也提到，两种测定方法不具有可比性。

在一个面板上测量的能量吸收值可以规定时-在岩石锚杆支护-重点是放在岩石变形过程中必须吸收的能量。在面板上测量能量的吸收值对初始喷射混凝土衬料特别重要（EN 14488-5:测定喷射混凝土，5部分：纤维增强板样本能量吸收能力的计算）^[3]。当混凝土的性质应用到结构设计模型时残余强度可以被规定（EN 14488-3:检测喷射混凝土，3部分：纤维钢筋梁的抗弯强度）^[8]。

2. 方形面板测试

法国国家铁路公司SNCF和阿尔卑斯Essais实验室做了一个相关的测试来检测建筑物中钢纤维结构的结构特性。

弯曲冲击方形板测试可以十分有效地模拟锚杆周围在岩石压力下隧道衬砌的性能。测试实验是1994年9月发表的“钢纤维喷射混凝土技术与实践”中的一部分^[9]。

这种测试板也发表在EFNARC议案上和2006年以来欧洲喷射混凝土标准EN 14487。

钢纤维测试板借助在其中心安置的刚性钢块，在回转控制中承受负荷。在测试过程中，荷载挠度曲线生成了，直到板中心点至少偏转30mm时，试验才会停止。基于这条曲线，另一条曲线可以计算生成，这条曲线是板的挠度函数，能够给出吸收的能量。

支撑是一块边长为500-2 2mm、高20-1 1 mm的硬方形框架。图1与图2展示了两个可能的例子。混凝土板光滑的一侧沿方形框架中心位置放置。荷载通过一个边长为100 1 1 mm，厚度为100 1 1 mm的方形硬钢块施加在板的喷射面上。

图1  EN14488-5测试支撑

测试（图3）需要控制位移，以1-0.1 0.1mm/min恒定的速率在板的中心施加载荷。载荷和挠度需要通过数据记录仪与XY-绘图仪持续记录，直到至少产生30mm的挠度才停止。当挠度达到25mm时，能量吸收值可以通过结果来表达，计算0到25mm荷载-挠度曲线（图4）的面积就可以得到。图2  EN14488-5 荷载挠度曲线图

这个程序是为钢筋网和钢纤维进行比较而设立的，假定钢筋网和钢纤维有类似的破坏。

作为参考的C30/37x混凝土的应用，其主要性能标准如下（根据表格3 EN14487-1）：

表1  针对参考混凝土C30/37的性能标准

注意：如果增加抗压强度，为了保持相同的延展性水平的性能要求（焦耳值）会更高，且Fmax > Fl（初裂）。

3. 带槽方形板三点弯曲试验

3.1 测试方法描述

残余强度测试方法的提出是针对于带槽方形板的三点弯曲试验而不是EN 14488-3。

确定喷射钢纤维混凝土拉伸性能的一种比较实际的方法是进行方形板的三点弯曲试验。此测试结合了EN14651的测试（评价钢纤维混凝土拉伸性能）的输出以及EN14488-5（相同的模具可直接或由于较大裂部，分散点更低）测试的优点。缺点是样品的重量（EN14651梁的使用性更好）以及为了完成一个完美的三点弯曲试验需要约束喷射面。总之，在整个长度上，滚筒需要与混凝土试验相接触。

由EFNARC提出的测试方法是基于以下几点理由：

样品的几何形状与尺寸以及采用的喷射方法要确保在模型中钢纤维的分布与实际结构体中尽可能相近。

试验样品的尺寸在实验室内易于操作（没有多余的重量和尺寸）。

测试要兼容性强，以及实验设备许可，可应用在大量的标准配置的实验室中（没有不必要的复杂性）。

几何形状要与能量吸收实验金属板的尺寸相同。

金属板可以在现场喷涂。

对于影响结果的板无需锯开。

比现行标准梁实验散点更低^[10]。

板上的缺口可以提供一个缓慢开裂的过程，因此减少了突然破坏的风险。

类比EN 14651，根据更新的国际标准（Rilem,型号代码），实验定义的残余弯曲强度（fr1, fr2, fr3,fr4）。得到的机械性能可以作为尺寸方法的输入^[11]。

用CMOD来控制实验，挨着板槽口的刀需要粘结。在刀与混凝土之间由于不良夹层的存在，在测试过程中可能会引起刀的松动。这使得对混凝土样品机械安装偏转传感器更为容易。用这种方式可以确保测试样品和测试结果不易丢失。图3  现场试验中方形板的3点弯曲试验

测试结果是成比例的和残余弯曲强度（见图6）

比例的极限fcl，LF的计算如下：

FL是CMOD 0和0.05mm间最大的载荷，或者挠度区间0到0.08mm。残余弯曲强度fR,x需要通过四个不同的位移进行重新评估。

残余荷载FR,i是：

- i = 1: CMOD = 0.46 mm 或者挠度 0.63 mm

- i = 2: CMOD = 1.38 mm或者挠度1.89 mm

- i = 3: CMOD = 2.30 mm或者挠度3.16 mm

- i = 4: CMOD = 3.22 mm或者挠度4.42 mm

支撑之间的跨度（名义距离500mm）

混凝土样品的宽度（标称值150mm）

混凝土样品的残余高度（标称值125mm）

方形板三点弯曲试验金属板的尺寸与EN14651测试试验中梁的尺寸不同。正因为如此，CMOD与挠度的关系也不同。

表2  CMOD，裂缝宽度与挠度的关系表

3.2 测试结果和最低性能要求

在大连理工大学进行的这项测试项目的结果如下：

普通的浇筑混凝土的等级是C30/37

钢纤维的用量分别为20 kg/m3 (SF20)至30 kg/m3 (SF30) 40kg/m3 (SF 40), 宏观合成纤维含量为6 kg/m³（PP6）。

抗弯强度σ-CMOD

图4  与CMOD的FRC扰性强度的对比图

随着钢纤维含量的增加，抗弯强度得到提高。相比于掺入SF20，掺入SF30和SF40，抗弯强度分别提高18.1%和28.2%。钢纤维混凝土板在第一次开裂后，如果含有更多的钢纤维，那么就会有更高的荷载承担能力。加入钢纤维也有助于提高残余荷载承载能力。

掺入PP6的面板抗弯强度与掺入SF20相似，但是当第一次开裂之后，掺入PP6面板的承载能力下降60%。这说明了聚丙烯纤维比钢纤维对面板的残余强度影响要低。增加纤维可以提高混凝土板的能量吸收能力，随着纤维含量的增加而增强。本次试验显示：钢纤维在提高面板吸收能力方面比合成纤维更强。

2010年新模式代码的第一份草案，标准由fR1k/ FLK定义，fR1k是在CMOD=1.0mm时残余强度特征，flk是第一次开裂时的抗弯强度特征。代码的草案规定：如果fr1k/flk > 0.4，在最终极限状态下，纤维加强可以部分替代传统加强。参考三点弯曲试验曲线可知，合成纤维不符合上述惯例标准，不能在混凝土中应用。

3.3 蠕变

关于纤维的机械性能，有一点需要考虑。就是纤维的蠕变性能。材料的蠕变描述的是恒定荷载下随时间的变形。通常情况下，作用在混凝土结构上的荷载不会引起钢纤维发生蠕变。合成纤维的情况不是这样。蠕变能导致实体结构由可接受的变形、旋转及裂缝变宽为不可接受的。

考虑材料的蠕变性能是非常重要的，因为最终的衬砌是在数个月后才进行。

对于地下工程，隧道的衬砌材料一般是比较均匀的，它的性能比较容易掌握，比如现浇的混凝土。

然而，作为及时支护的喷射混凝土而言，混凝土的早期性能（强度和刚度）在施工期间变化很大。在隧道设计中，这种现象需要考虑。因为隧道围岩应力的释放依赖于与隧道掌子面的距离和掘砌速率。出于这个原因，支护隧道的整体性能受到两方面的影响，即隧道推进过程中围岩应力增长与硬化过程中产生的混凝土机械性能增加。（Bernadini帕尔马大学L.Borio都灵大学）

这就是为什么要做一些试验来研究这一现象。试验结构证实：考虑到这一现象与确保隧道安全性，钢纤维是最为理想的材料。

如EN14488-5描述的，试验板在位移控制装置中进行了测试。 在出现3mm的扰度时，载荷已经被移除。试验板现在准备进行蠕变试验，按照3mm扰度时载荷的60%来重新加载。图5  蠕变测试装置

变形测试展示在Y轴上，以1/100mm比例，如图所示。

图6  蠕变试验结果 蠕变1/100mm-天数             图7  梁SF35和MS4.8随时间裂缝开裂位移

3、混凝土环

各钢筋混凝土环是一个约3m高的单独元件。依据混凝土环无拉力的特点，应力在井内堆积，并将在张拉端不可避免地释放。该力学行为可以与长度为b的偏心荷载底部的力学行为进行比较。在分析计算中将应力途径简化为线性的，忽略接触面的凝聚或摩擦的效应。当矩形基础的加载点位于（图6）基底2/3位置时，称为克恩，基底下的地层处于压缩状态。然而，如果合力F在克恩范畴以外，在基础的某些位置受拉力作用。既然地层和基础之间没有机制来抵抗拉伸应力，基础的某些部分将保持无应力状态，而在基础与地层接触的区域随着应力增加将会出现力的平衡。

在这些情况下，不同的基脚点上的支承压力将被修改并且中性轴将朝荷载点移动。零压线外的部分将完全不受力被称为基础上托力区。如果力F作用在基础区域外倾覆可能发生。F作用在e=b/3时，在基础工程中最大50％的基底允许是一个上托力区域。在这种情况下，应力三角形的量级（M为矩形系统）已经是具有相同的力F作用在中心均匀的应力分布的4倍。为进一步设计，通过弯矩M和力N = F它可以变换对中心线的影响，而偏心量e表述如下：

当e>b/6（图7）时，简单的矩形基础的单向偏心距e的发展是一个的线性函数。 这里的不同于下文图4中的坐标。引入坐标从接触侧缘运行（图6中的红色箭头），即因子表示反向压力区域的百分比。相应的应力增加是抛物线形的而不是线性的。如果接触消失了，最大压力能够确定知道该压力楔的量必须等于合力F，压力楔的重心与有效偏心重合。请记住以下页面的力和应力（压为正）的逆迹象，在地基工程里这是典型的计算。

说回我们要做的圆形而不是矩形系统的竖向矿井。所以，我们要讨论更复杂的立体空间及其相互关系，尤其是如图8所示的圆柱形楔[3]。指定楔形弧度时的体积计算：

整合了用于定义重心或偏心量e。在φ=π和z*/do =0.5情况下关系简化为r=a=b且有楔形体体积：

圆筒形楔体偏心率：

图7：矩形基础的偏心量                                  图8：圆柱形楔体的几何参数  

如本篇所示应力叠加之前(正曲率的恒载) 圆柱形体系因子的边缘混凝土环边缘和受拉区产生一个上托力部分压力增加。对于应力体的计算，则是在外圆柱形楔体（指标o）和内圆柱形楔体（指标i）之间做减法。一些指定的矿井的混凝土环的体积可以用计算：

在这里相当于称为-space的应力体积且混凝土环偏心率如下：

实例

对于圆柱型竖井的应力值，这低于如图6中所示的矩形横截面有效因子m=4.0。由于 =2 =6.0m和 =2 =7.5m导致代入-space（记住，-方向是无量纲）于=•area=3.48•4.57 =15.9 =const。后者对于相同的几何形状m*-空间是恒定的，具有不同的相应其特定的关系z*/do区域的其他m*也是有效的。

在我们的例子中偏心率导致，该值大于外侧楔（）和内侧楔的（）。重要的是，一个矩形体系不能用于圆形，因为b/3 = do/3 = 2.50 m不是在“安全范围”。

由于纯弯曲的曲率影响的特点和M>0，N=0，仅恒载引入法向力量。合成的压力通常可以计算为：

每个定义的最大压应力max总是导致与比率相关的双级曲率应力。在混凝土的抵抗力以内必然导致各个层面的许用应力。设有最大应力纵坐标（单位）的-space（单位）的合成产生合成压力F，合力对应于相应的高度H（x=const）每米混凝土环的自重G。

对H=256m的竖井自重及所选择的几何形状和等条件得压力F =102MN，这证明当H=300m时。改变力作用到井壁中心的中性轴，得出弯矩M=102 MN•2.67m=272MN•m和垂直压力N=F=102MN。

如何确定≠0.5情况下的值，将用下一页的图表来说明。图9：的设计图。                     

图11：情况下对深度的影响。

图10：最大压应力和裂隙尺寸变化图。

4、静态类比

在管顶计算中可以看出在受压区边缘压力的类比呈非线性增加。在[4]设计图(图9)已经发展成可以直接应用于井壁设计的曲率应力计算中。如图所示 的商等于 的应力值。后者是取决于的商，意味着无缝隙和在 =2时，三角形的应力分布（力F作用在截面核心边缘）。

如前所述，当管顶允许的最大合力与理想的垂直应力进行比较，在使用滑动井壁支护时需考虑两点影响轴向应力的因素（由静荷载引起的常应力分布和由弯曲引起的三角形应力分布）。

如图9中的例子所标记的，在=0.45和= 6.0 m/7.5 m=0.8的情况下，从表中得到。

现在可以重新计算具体高度H(从矿井顶端x = 0)相关的活动轴深度分别对应于上托力部分或压缩部分,反之亦然。

矿井顶部有3.75mm最大裂隙发生在拉力侧(图10),在= 1没有拉应力,因此不存在裂隙。拉力侧的最大上托力或裂隙与表示混凝土环的高度的T值有关。

最大压应力可以表示成或。

到892米时图11表明作为的函数线性轴向应力关于井深是非线性的。由图9矿井特殊的设计图可以看出对不同比率和相应的因素可以创建类似于图11的图形。没有复杂的圆柱楔形多个集成通过这种压力和裂隙可以很容易地计算。对于所选满足几何尺寸=2和=1的矿井可应用于埋深892米的情况。

很明显，在300米基础水平上任然有反向压力部分，=0.46必须在设计中被视为=0.54。在一个刚性轴的基础上，在轴建设方面有着基本的、灵活性的、允许计算出的间隙，或者相应的应力和弯距两者必须有一个考虑在内。可以很明显的看到，要想创造一个在300米深没有拉应力的环境，将半径定为18公里将是很有必要的，这样就不会产生反向压力部分。

结论

现有的所有标准和方法，都可以根据能量吸收值、残余应力和蠕变特性要求来进行特性描述，并据此，对每一个项目的钢纤维喷射混凝土提出最低限度的性能要求和进行监测。

在一个板上（600╳600╳100mm³）喷射混凝土，并进行试验（EFNARC带缺口方形板三点弯曲试验），获得能量吸收值（EN14488-5）、残余强度，这项测试在工作现场很容易实现，快速和低成本，提供更好的质量控制和材料的性能知识。

选择哪种纤维材料及用量取决于工程项目的性能要求，这项工作在资格预审测试与对材料性能的掌握过程中进行。

根据经验验证的最低要求如下：

纤维符合欧洲标准EN14889-1

带CE标志的纤维

Ø 金属拉丝纤维，钢纤维丝的最小拉伸强度> 1.000 MPa。

Ø 尺寸公差符合EN 14889-1标准

Ø 纤维长度：30或35m

Ø 每立方米总线长度的最小值需要达到10.000ml（原位），以保证最小的网格效应。

Ø 根据麦基理论（I/d 65=16 kg/m³ in situ, I/d 55 =23kg/m³ in situ, I/d 40=43 kg/m³in situ），最小的覆盖物

Ø 对于确定的参考混凝土等级C30/37最小等级是E 700（700焦耳最小值），Fmax / Fl是基于EN14488-5方形板测试

Ø 带缺口方形板三点弯曲试验中最小的残余强度要求fr1k/fl（> 0.4依据模型代码的最小值）

Ø 性能和标准需要依据EN 14487-1指定，考虑到项目的需求

参考文献

[1] EN 14488-1, 2005.4.17 初期及硬化喷射混凝土试验

[2] EN 12390-2, 2000.2 硬化混凝土试验-第2部分：强度试验制作和加工试样

[3]喷射混凝土-第5部分：纤维加强板样品能量吸收能力的测定。

[4] EN 12390-1, 2000.2. 硬化混凝土测试-第1部分：样品和模型的形状、尺寸和其他要求。

[5] EN 14651, 2005.4. 金属纤维混凝土的测试方法-测定弯曲拉伸强度（（LOP）比例的限定，残余）：2005 A1

[6]2010模型代码第一份完整草案，2010.2.fib编辑公告56.

[7]丁伊宁，结构工程学报，大连理工大学，2009.关于带切口钢纤维和pp-纤维加强混凝土板的机械性能、裂缝开裂性能

及韧性中纤维影响的调查。

[8]喷射混凝土试验-第3部分：纤维加强梁样品的抗弯强度。

[9] AFTES, 1994. 推荐“纤维加强喷射混凝土技术与实践”

[10]带缺口方形板的三点弯曲试验。