一种高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法技术

本发明专利技术提供了一种高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法，包括对高地温隧道现场的温度、湿度等数据进行采集，并采集隧道施工现场的岩石用于制备室内试验试样；将岩石制备成岩石试样；制备养护试验箱，以及在岩石试样上喷射混凝土后放置于养护试验箱内进行养护；制备用于剪切试验的标准圆柱试样；考虑高温服役环境的喷射混凝土与围岩胶结性能测试剪切试验。本发明专利技术考虑了高地温隧道爆破后真实围岩的表面形态、喷射混凝在养护期的现场真实单向受热温度梯度环境及长期服役的高温环境，能极高程度还原工程现场喷射混凝土与围岩胶结面的真实形态特征及服役环境，试验结果能极大程度地反映真实高地温隧道喷射混凝土与围岩界面的胶结性能。岩界面的胶结性能。岩界面的胶结性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法


[0001]本专利技术涉及隧道与地下工程
，特别是涉及一种高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法。

技术介绍

[0002]随着一大批铁路、公路、水利水电、跨流域调水等重大基础设施战略工程相继在西部地区实施。工程建设逐渐向地形地貌、地质条件复杂地区延伸。长大、深埋、穿越板块活动强烈区的隧道(洞)越来越常见，伴随而来的高地温隧道也越来越多。根据《铁路隧道施工技术指南》规定，隧道内温度超过28℃就会影响隧道结构安全和施工人员健康，这类隧道即称为高地温隧道。
[0003]矿山法修建的山岭隧道需在隧道开挖后喷射混凝土以控制围岩应力释放和变形，提高结构安全以及方便施工。喷射混凝土直接与围岩接触，混凝土
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岩石界面的粘结性能是关系到支护结构能否发挥作用的关键。尽管国内外工程实践和研究都表明高地温对围岩和混凝土的力学特性都会产生影响。例如高温对围岩的影响主要有两个方面：一是温度变化引起的附加热应力效应，在较高的温度条件下，温度每变化1℃，岩石中就会出现0.4～0.5MPa的热应力，极易造成拉应力区的围岩产生拉伸断裂；二是温度所导致的岩石物理、力学性质以及细观结构的变化。而高温对混凝土的影响主要表现在：(1)水分不断蒸发，导致水泥水化不足甚至停止，并且会造成水化产物高度集中；(2)高温会形成较高的温度应力，使得混凝土开裂；(3)高温加快早期水化反应，在水泥颗粒表面形成致密的保护层，防止水的进入，从而影响后期混凝土强度发展。更为重要的是，作为多孔介质材料，岩石和混凝土力学性质都具有非均质性、非连续性和非线性的特征。围岩表面处于高温状态，喷射混凝土与围岩界面在温度梯度作用下更容易在养护过程中形成高温热损伤。这种热损伤效应必然对初期支护结构的长期服役性能产生重要影响。
[0004]目前国内外学者对混凝土
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岩石界面的粘结抗拉强度及剪切特性研究主要集中于常温条件下，对考虑高温影响下的喷射混凝土
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岩石界面的胶结特性研究甚少，王明年等基于隧道内实测环境参数及喷射混凝土温度数据，开展了高温变温条件引起的界面力学特性变化研究，其在制样过程中采用从高温逐级降温至常温的喷射混凝土
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岩石试样养护方法，后切割成立方体试样，并在常温下进行力学特性试验，而喷射混凝土在喷射至岩石上后，一面与高温岩石接触，一面与隧洞内空气接触，围岩与洞内存在温差，上述研究是在同一温度环境下养护，并未考虑到两侧温度梯度对胶结面影响这一关键因素，同时，在后期服役过程中，胶结面所处环境亦为高温环境，这对其服役性能势必产生较大影响，上述研究亦未考虑该关键因素。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一、对高地温隧道现场的爆破后掌子面围岩表面温度、隧道洞身段喷射混凝土后的空气温度、混凝土养护湿度以及爆破后围岩三维点云数据进行采集，并采集隧道施工现场轴距大于30cm的岩石用于室内试验试样制备；
[0007]步骤二、根据隧道施工现场所采集的爆破后围岩三维点云数据，将岩石制备成能够反映现场真实爆破后围岩表面粗糙程度的岩石试样；
[0008]步骤三、制备能够反映隧道现场真实单向受热温度梯度环境的养护试验箱，以及在岩石试样中反映粗糙度的平面上喷射混凝土，形成混凝土
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岩石试样，并将混凝土
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岩石试样放置于养护试验箱内进行养护；
[0009]步骤四、将养护后的混凝土
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岩石试样，制备成直径为50mm、长度为100mm的用于剪切试验的标准圆柱试样；
[0010]步骤五、考虑高温服役环境的喷射混凝土与围岩胶结性能测试剪切试验。
[0011]可选的，所述步骤一中爆破后围岩三维点云数据通过使用三维激光扫描仪对至少三个以上的典型断面采集得到。
[0012]可选的，所述步骤二中制备岩石试样的具体过程如下：
[0013]S2.1、将现场采集的大岩块试样切割成长30cm*宽30cm*高8cm的板状岩石试样；
[0014]S2.2、将三维点云数据导入具有三维雕刻技术的重型石材模具机中；
[0015]S2.3、在板状岩石试样中长*宽的其中一个平面上雕刻出与现场围岩表面粗糙度吻合的粗糙面；
[0016]S2.4、采用数字图像处理技术提取板状岩石试样中粗糙面的灰度图像，进而采用图像灰度的分形维数定量表征物体表面的粗糙度。
[0017]可选的，所述步骤三中养护试验箱包括箱体、湿度控制装置、冷却水管、温度感应装置、湿度感应装置、底部导热板、底部加热水箱和橡胶隔热垫；湿度控制装置设置于箱体上，用于对箱体内的湿度进行调节；所述冷却水管设置于箱体内，用于对箱体内温度进行调节；所述温度感应装置和湿度感应装置均设置于箱体的内侧壁上，用于对箱体内的温度和湿度进行实时检测；所述底部导热板设置于箱体的底部，且底部导热板的下端面上连接有底部加热水箱，底部加热水箱内的温度通过底部导热板传送至箱内体；所述橡胶隔热垫设置于底部加热水箱的下端面上，用于实现对底部加热水箱进行隔热。
[0018]可选的，所述步骤三中在板状岩石试样的粗糙平面上喷射8cm
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10cm的混凝土层，得到混凝土
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岩石试样。
[0019]可选的，所述步骤三中将混凝土
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岩石试样以岩石面朝下、喷射混凝土面朝上的方式放置于养护试验箱内养护28天
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30天。
[0020]可选的，所述步骤四中标准圆柱试样的制备过程具体如下：
[0021]S4.1、在混凝土
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岩石试样上钻取直径为50mm、其中心轴线沿混凝土层的平行方向设置的圆孔，并使混凝土与岩石胶结面尽量保持在圆孔中间位置；
[0022]S4.2、将钻孔完成的混凝土
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岩石试样进行切割，切割成高度为100mm的圆柱形试样；
[0023]S4.3、在圆柱形试样的其中一端截取掉5mm厚的岩石结构、在圆柱形试样另一端截取掉5mm厚的混凝土层；并采用液态硅橡胶填补圆柱形试样上被截取掉的部位；
[0024]S4.4、将圆柱形试样静置48小时以上，待液态硅橡胶凝固，最终获得满足剪切试验
精度要求的标准圆柱试样。
[0025]可选的，所述步骤五中考虑高温服役环境的喷射混凝土与围岩胶结性能测试剪切试验的具体过程如下：
[0026]S5.1、将标准圆柱试样放入三轴压力室中，密封好后对三轴压力室以2MPa/min的恒定速率施加围压至围压预设值；
[0027]S5.2、待围压稳定后，以5℃/min的加热速率加热至温度预设值；
[0028]S5.3、待压力室温度稳定后，以0.02mm/min的轴压加载速率进行剪切位移加载直至标准圆柱试样破坏，剪切过程中自动记录应力
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应变曲线；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、对高地温隧道现场的爆破后掌子面围岩表面温度、隧道洞身段喷射混凝土后的空气温度、混凝土养护湿度以及爆破后围岩三维点云数据进行采集，并采集隧道施工现场轴距大于30cm的岩石用于室内试验试样制备；步骤二、根据隧道施工现场所采集的爆破后围岩三维点云数据，将岩石制备成能够反映现场真实爆破后围岩表面粗糙程度的岩石试样；步骤三、制备能够反映隧道现场真实单向受热温度梯度环境的养护试验箱，以及在岩石试样中反映粗糙度的平面上喷射混凝土，形成混凝土
‑
岩石试样，并将混凝土
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岩石试样放置于养护试验箱内进行养护；步骤四、将养护后的混凝土
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岩石试样，制备成直径为50mm、长度为100mm的用于剪切试验的标准圆柱试样；步骤五、考虑高温服役环境的喷射混凝土与围岩胶结性能测试剪切试验。2.根据权利要求1所述的高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法，其特征在于，所述步骤一中爆破后围岩三维点云数据通过使用三维激光扫描仪对至少三个以上的典型断面采集得到。3.根据权利要求1或2所述的高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法，其特征在于，所述步骤二中制备岩石试样的具体过程如下：S2.1、将现场采集的大岩块试样切割成长30cm*宽30cm*高8cm的板状岩石试样；S2.2、将三维点云数据导入具有三维雕刻技术的重型石材模具机中；S2.3、在板状岩石试样中长*宽的其中一个平面上雕刻出与现场围岩表面粗糙度吻合的粗糙面；S2.4、采用数字图像处理技术提取板状岩石试样中粗糙面的灰度图像，进而采用图像灰度的分形维数定量表征物体表面的粗糙度。4.根据权利要求3所述的高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法，其特征在于，所述步骤三中养护试验箱包括箱体、湿度控制装置(1)、冷却水管(2)、温度感应装置(3)、湿度感应装置(4)、底部导热板(5)、底部加热水箱(6)和橡胶隔热垫(7)；湿度控制装置(1)设置于箱体上，用于对箱体内的湿度进行调节；所述冷却水管(2)设置于箱体内，用于对箱体内温度进行调节；所述温度感应装置(3)和湿度感应装置(4)均设置于箱体的内侧壁上，用于对箱体内的温度和湿度进行实时检测；所述底部导热板(5)设置于箱体的底部，且底部导热板(5)的下端面上连接有底部加热水箱(6)，底部加热水箱(6)内的温度通过底部导热板(5)传送至箱内体；所述橡胶隔热垫(7)设置于底部加热水箱(6)的下端面上，用于实现对底部加热水箱(6)进行隔热。5.根据权利要求1所述的高地温隧道喷射混凝土与围岩胶结性能测试方法，其特征在于，所述步骤三中在板状岩石试样的粗糙平面上喷射8cm
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【专利技术属性】
技术研发人员：郑艳妮，唐国荣，曹锐，贾朝军，施成华，雷明锋，黄娟，
申请(专利权)人：中南大学成都理工大学，
类型：发明
国别省市：