喷射混凝土加固的作用机理及锚喷加固的例子

喷射混凝土加固作用主要体现在下列两方面。

（1）当采用喷射混凝土来支护地下厂房硐室或隧道的围岩时，其两者作用机理主要表现为：靠喷射混凝土的柔性支护以调整围岩应力增高区的过度应力集中，可能导致的围岩失稳或破坏。具体而言，就是喷射混凝土层薄而性柔，当支护的围岩因其地质因素或施工缺陷带来的过量变形或围岩强度等于或大于极限值发生破坏时，喷射混凝土层作为支护并封闭围岩的薄圈，如同一层薄纸紧贴变位的围岩一样，它及时地进行“应变相容”地调整。这时，只要喷射混凝土的粘结强度不失效，围岩变形带来围岩与喷射混凝土层间的抗剪或抗拉强度损伤控制在设计值范围，那么，纯喷射混凝土层就支护稳定。

（2）锚喷加固作用机理分析。工程实践表明，单一地采用纯喷射混凝土层来加固补强或支护围岩，随着时间效应的变异，往往局限在临时性加固或临时支护方面。而更多的是采用锚杆（索）加吊网喷射混凝土的施工技术来进行围岩支护或工程结构补强加固。

李永和博士与中国工程院葛修润院士早在1997年就作过锚喷机理的研究[1]，他们认为锚喷材料一个重要性质是它变形的时间效应，这种时效变形是由喷射混凝土长期蠕变和材料内部岩体不断损伤发展而造成。二种变形既是相互不同的物理状态，同时又是相互影响作用的过程，基体蠕变实质上是喷射混凝土的胶状粒子移动以及某种程度上在高应力作用下粒子内部蠕变的结果。当有外力作用时，凝胶粒子就获得一定的能量，若该能量达到一定程度，它们就会脱离原来位置而发生移动，这种运动的宏观效果则产生了蠕变变形。

1）各向同性锚喷材料损伤蠕变本构方程为

式中　εij——应变；

Bijbi——自由解函数展开的系数；

D——损伤内变量；

β（t-t1）——锚喷材料蠕变柔度函数；

σbi——应力；

W——湿度或温度；

δij——变形；

F（t-t1）——锚喷材料因温度或湿度给出的蠕变影响函数。

2）蠕变等效应力。锚喷基体纯蠕变变形的内变量（q）实质上是喷射混凝土硬化水泥浆胶粒子运动的结果。由于喷射混凝土中骨料的存在，故作用在水泥浆上的应力（σij）与宏观应力有较大差别。根据平均应力概念，σij与的球量（σbi），及偏量（σij）、可写成：

上列两式中球量与偏量应力集中系数（λH）与（λD）分别是：

式中　α——Eshelby张量的球量；

β——Eshelby张量的偏量；

k（n）——喷射混凝土中骨料弹性系数的球量；(www.xing528.com)

k（m）——喷射混凝土中骨料弹性系数的偏量；

μ（n）——喷射混凝土基体弹性系数的球量；

μ（m）——喷射混凝土基体弹性系数的偏量。

3）锚杆喷射混凝土养护时间。实验表明，锚杆喷射混凝土的养护时间（dte）在本质上是其材料蠕变变形与本身的老化之客观度量，即：

式中　T——温度；

M——湿度；

D1——损伤变量张量的第一不变量，即：D1=D11+D22+D33。

由于βD>1，故使得：dte>dt。

4）锚喷材料的基本蠕变方程式（εij）及其蠕变势函数（Φ2）：

上列式中　Umnpq——状态函数；

γmn、γpq——锚喷材料的强化程度；

λ——材料的弹性系数。

σ-γ为推动蠕变发展的驱动力。

由式（10.17）可知：

①骨料可改变水泥浆蠕动的方向；

②颗粒使水泥浆蠕变幅度值增大λ2（<1）倍，而损伤使锚喷材料蠕变值增大倍；③骨料使其材料蠕变硬化倍，若锚喷基体约束弱化，则该倍数随时间的推移进一步增大。

以上机理分析已被实验验证[2]。