丁士君 丁民濤 滿 銀 聶治豹

(中國電力科學研究院有限公司, 北京 100055)

巖石地基具有承載力高、壓縮性低、穩(wěn)定性好等特點,是各類工程基礎的主要持力層,在山地丘陵等地區(qū)往往基巖面淺、覆蓋層薄。目前,在途徑山區(qū)的輸電線路工程中,基礎大多采用嵌巖型挖孔樁、巖石錨桿等類型的基礎,這類基礎承載時混凝土與基巖的接觸界面常成為了薄弱部分。若界面強度不滿足設計要求,便浪費了基巖的堅固性及基礎結構的抗拉性能。[1-6]玄武巖是一種細粒致密、外觀呈黑色的火成巖,由基性巖漿噴發(fā)凝結而成,噴發(fā)時產生大量氣孔;由于巖漿的黏度小,易于流動,可形成大面積的泛流玄武巖。我國玄武巖分布廣泛。

巖石與混凝土界面的力學特性是國內外學者研究的重要內容,其中關于界面巖石側粗糙度的影響研究較多。巖石界面粗糙度的處理方式有光滑處理、切割開槽處理等。[7-9]文獻[10-11]介紹了對不同表面粗糙度巖石-混凝土界面剪切試驗的研究,結果表明巖石表面粗糙度會增強混凝土與巖石機械咬合力,致使其界面剪切強度增大。文獻[12-13]介紹了對骨料類型和表面粗糙度等對骨料與砂漿界面斷裂性能影響的研究,結果表明試樣的強度隨著骨料表面粗糙度的增大而增大。

此外還有關于界面的斷裂韌性[14]、能量釋放速率[15-16]、開裂方式[9,17]及界面材料屬性的研究。王保田等通過巖石與混凝土界面直接剪切試驗獲得了全風化至微風化花崗巖與混凝土膠結面的抗剪強度指標,表明風化程度越高直接剪切強度越低。[18]林偉平等通過現(xiàn)場抗剪試驗,發(fā)現(xiàn)混凝土強度對巖石-混凝土膠結物的抗剪強度存在影響,基巖強度被削弱,相應的膠結面抗剪強度也會有所降低。[19]

混凝土與其他高強材料界面的抗剪性能試驗研究方面,郭立湘等對方形和矩形鋼管混凝土試件的界面抗剪強度進行了試驗研究,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的下限,提出界面抗剪強度標準值的計算式,研究表明強度隨壁板寬厚比增加而減小。[20]文獻[21-23]介紹了對不同強度等級混凝土中砂漿-骨料界面斷裂力學參數(shù)、骨料表面粗糙度等特性對混凝土復合材料及其力學性能的影響,結果表明界面斷裂韌性、骨料表面粗糙度越高,則構件的承載韌性越好。

現(xiàn)有研究通常將巖石與混凝土的耦合界面簡化成平面接觸問題,忽略界面一側的力學特性,稱為一體多介質模型,混凝土與巖石界面抗剪強度試驗主要采用平面接觸的直剪方式,與工程實際基礎與基巖接觸面形態(tài)吻合度不高。另外混凝土基礎與巖石間力學參數(shù)的設計取值以經驗為主,基礎結構、基巖的強度不匹配,導致基礎的設計偏差較大,易造成深基坑安全風險增大、施工質量難保證等問題。

鑒于室內巖石與混凝土膠結面的抗剪強度對于實際工程具有指導意義,特別是基巖類型、混凝土強度等級等對膠結面的抗剪強度影響較大,研究采取樁側巖混界面縮尺模型及靜載荷試驗方法,開展玄武巖與混凝土界面抗剪強度試驗研究。

1 室內試驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要構件包括:管腔、剪切桿、圍巖模擬組件、加荷千斤頂及測試器件,試驗裝置及其示意如圖1所示。

a—裝置示意; b—試驗實景。圖1 巖石與混凝土界面抗剪性能測試裝置Fig.1 Test devices for shear properties of rock-concrete interfaces

試驗裝置中接觸界面巖石側通過原位鉆取環(huán)狀芯樣模擬;放置巖樣的合金管腔與環(huán)狀巖石芯樣間通過澆筑混凝土來模擬圍巖壓力,并通過混凝土初凝前在其頂部加壓、初凝后拆除的方式來實現(xiàn)圍壓模擬;剪切面通過選擇合適的蓋板來控制,實現(xiàn)巖石與混凝土界面的剪切滑移。

裝置可保證剪切面位于巖石與混凝土界面,以及模擬現(xiàn)場基巖的圍巖壓力環(huán)境等,能夠精準測量拉力桿上拔荷載、芯樣和混凝土錨固體位移等指標,并根據(jù)力與位移關系特征,獲得上拔過程中巖石與混凝土界面的抗剪強度等參數(shù)。

1.2 模型制作

巖石與混凝土界面縮尺模型制作包括環(huán)狀巖石芯樣鉆取、打磨、巖樣圍壓壓力模擬、錨固混凝土澆筑等流程。

1)在現(xiàn)場巖體鉆取環(huán)狀芯樣,巖樣內徑為80～180 mm,壁厚為20～40 mm,適用于測試裝置管腔套管內徑為150～230 mm。

2)打磨環(huán)狀圓柱巖樣兩端,巖樣存在破裂面時利用石膏等膠結材料黏合呈整體,或芯樣外部采用膠帶拼接,當樣品局部存在缺失時可用石膏等強度較低、硬化較快的材料填補,形成柱形樣品(圖2a)。

a—現(xiàn)狀鉆取的芯樣; b—芯樣放置; c—巖樣洗孔; d—錨固體澆筑。圖2 樣品制作過程Fig.2 Fabrication of specimens

3)將環(huán)狀巖樣放入合金管腔內,確保巖樣內側圓柱與合金管內腔同軸,隨后在巖樣外表面與裝置腔體內表面之間(圖2b)填充流體或膠結材料,在其初凝前施加一定的壓力,以對巖樣形成圍壓,約3 d后卸除圍壓。

4)將拉力桿放入環(huán)狀巖樣內,拉力桿端部適當采取焊接多層錨固板等加強措施,以保證上拔測試過程中剪切桿不會從混凝土中脫出,最后向環(huán)狀柱形巖樣內部孔隙注入混凝土,洗孔與混凝土澆筑見圖2c和圖2d。

5)混凝土養(yǎng)護至預定時間,完成試驗件制作。

1.3 試驗方法

1)采用分級加載,每級荷載維持時間10 min,其中每1 min記錄一次位移數(shù)據(jù);當2 min混凝土與環(huán)狀巖石在錨固體頂面位移增量Δs不大于0.1 mm時,表示該級荷載作用下變形達穩(wěn)定狀態(tài),可進行下一級加載。

2)加載終止條件包括:發(fā)生混凝土錨固體被拔出、巖樣開裂等現(xiàn)象,且荷載無法維持;或荷載與位移關系曲線出現(xiàn)拐點,且該級位移量不小于6 mm,其中當位移量與荷載增量之比,與上一級位移量與荷載增量之比的比值不小于10,視為荷載-位移曲線出現(xiàn)拐點;或錨固體頂部軸向位移超過30 mm(條件允許時可加載至50 mm);或達到試驗設備及拉力桿的最大加載能力。

3)剪切強度計算荷載取值:當拐點在荷載與位移關系曲線中對應的位移量不大于4 mm時,按拐點對應的荷載為強度計算值;當拐點對應位移量大于4 mm或未出現(xiàn)拐點時,可取4 mm位移量對應的該級荷載為強度計算值。

4)剪切強度τs按τs=Qs/(πdlb)。其中Qs為強度計算荷載值;d為混凝土錨固體直徑;lb為有效錨固剪切段長度,應扣除錨固體被拔出露在外的巖樣部分。

1.4 試驗方案

試驗用芯樣取自內蒙古烏蘭察布市,巖樣為灰色玄武巖,風化程度為中—強等級,多孔,巖樣巖石完整性情況見表1。為分析玄武巖與混凝土界面抗剪強度的影響因素,采用不同混凝土設計強度等級、齡期來設計試驗。其中水泥采用P·O 32.5R水泥,水為自來水,骨料為粒徑不大于20 mm的細石和中砂。

表1 巖芯尺寸及完整性Table 1 Sizes and integrity of rock cores

試驗規(guī)格和尺寸見表1所示,共設計30個模型試驗。

試驗變量包括:

1)巖芯采用100,150,200,250,285,290,292 mm,共6種長度。

2)巖芯采用80,84,120,160 mm,共4種內徑。

3)混凝土設計強度等級為C20、C30,兩種規(guī)格。

4)混凝土采用三種齡期范圍,分別為小于7 d、7～14 d及大于14 d。

試驗采用“Y巖芯長度-巖芯內徑-混凝土齡期及a、b、c”規(guī)則進行編號,a、b、c代表相同巖芯長度、內徑和混凝土齡期試件的試驗序號。

此外,巖石環(huán)狀芯樣現(xiàn)場鉆取采用水磨鉆法,與一般巖石基坑施工類似,試驗中未考慮粗糙度的影響。

進行剪切載荷試驗的同時,利用高倍顯微鏡對不同齡期的模型切片進行細觀測試(圖3),以觀測巖樣與混凝土接觸部位結構與外觀隨齡期的演化。

a—觀測樣品; b—電子顯微鏡。圖3 細觀測試樣品和儀器Fig.3 Microscopic tests on specimens and instruments

2 試驗結果

2.1 荷載-位移關系曲線

巖石與混凝土界面抗剪強度室內試驗得到的荷載與位移關系曲線見圖4。

a—巖芯長度介于100～150 mm; b—巖芯長度介于200～250 mm; c—巖芯長度介于280～292 mm。圖4 試驗荷載與位移關系曲線Fig.4 Relation curves between uplift loads and displacements of tests

2.2 破壞模式

圖5為試驗過程中發(fā)生的破壞模式。從中可以發(fā)現(xiàn):混凝土錨固體被整體拉出,保持了較高的完整性。破壞面位于巖石及混凝土的交界面上,為剪切破壞模式,實現(xiàn)了預期試驗目的。

圖5 試樣的破壞模式Fig.5 A failure mode of specimens

2.3 細觀測試結果

取不同齡期混凝土的試樣放置于高倍顯微鏡下進行觀察,結果如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn):玄武巖與混凝土界面由巖石相與混凝土相組成,兩者咬合充分。巖石相表面存在部分凸起及孔隙,經3 d齡期初凝后孔隙、凹槽即被填充、包裹;隨著齡期的增長界面的結構變化不大,但混凝土部分水化析出的白色晶體增多,該現(xiàn)象也說明齡期(大于3 d)增長對膠結力影響不顯著。

3 界面抗剪強度影響因素的分析

3.1 界面接觸尺度因素

在圖4中,除了少數(shù)試驗荷載位移曲線因拉力桿屈服等現(xiàn)象而表現(xiàn)出緩變型特征外,其他均有明顯的峰值點,因此將峰值點確定為界面極限抗剪承載力;對于緩變型的曲線選取4 mm對應的荷載確定為極限抗剪承載力。根據(jù)試驗結果,繪制了不同有效接觸面積與極限抗剪承載力散點圖(圖7)?？梢钥闯?整體上接觸面積與極限抗剪承載力呈正相關。將圖7中的散點進行線性擬合,擬合結果為τu=2.81se,其中,se為有效接觸面積,曲線的決定系數(shù)R2=0.928 6。其中,Y10-8-14、Y20-8-13、Y25-8-12試驗結果離散性過大,計算剪切強度均超過5 MPa,超過均值的50%以上,明顯大于其他試驗值,差異可能是巖樣內徑上小下大等原因所致。剔除該三個試驗結果,對試驗強度位于統(tǒng)計樣本均值的50%～150%內的試驗值進行統(tǒng)計分析。

圖7 有效接觸面積與極限抗剪承載力的關系Fig.7 Relations between effective contact areas and the ultimate shear strength

對表2中強度平均值和變異系數(shù)值進行分析可以得出:變異系數(shù)的平均值為0.23,巖樣的高度與直徑的變化對抗剪強度試驗結果的影響較小。但是,巖樣高度越小變異系數(shù)越大,結合試驗現(xiàn)象,這主要是由于有效剪切面計算偏差引起離散性較大,巖樣高度越大,剪切面積偏差越小。

表2 不同巖樣高度和直徑條件下抗剪強度統(tǒng)計分析Table 2 Statistical analysis results of shear strength in different conditions of heights and diameters for rock specimens

3.2 齡期與設計強度的影響

混凝土齡期與設計強度等級的影響采用不重復試驗次數(shù)的兩因素方差法進行統(tǒng)計分析。方差統(tǒng)計分析方法是用總偏差平方和(式(1))來描述數(shù)據(jù)的波動。即:

(1)

(2)

不考慮因子之間交互作用,進行平方和分解時引起數(shù)據(jù)波動的原因有四項:因子A的水平不同、因子B的水平不同以及A、B因素交互影響和隨機誤差。因此數(shù)據(jù)的總偏差平方和可分解成四部分:

ST=SA+SB+SAB+Se

(3)

偏差平方和S除以各因子的自由度f得到方差V,即V=S/f。以F比來評價各因子對承載力的影響程度,其定義為各因子的方差與誤差方差的比值,即FA=VA/VE、FB=VB/VE、FAB=VAB/VE。

然后根據(jù)在一定的置信水平(1-α)下根據(jù)F與Fα(l,m)的關系確定是否接受影響的顯著性,其中l(wèi)為各因子偏差平方和所對應的自由度,m為誤差偏差平方和對應的自由度,當F>Fα(l,m)時接受對應因素影響顯著,否則拒絕,即認為不顯著,一般置信水平取90%。

對于玄武巖進行主要因素影響的方差分析,因素包括:

1)混凝土設計強度等級(A因素):C20、C30,共2個水平;2)齡期(B因素):按3～6 d,7～13 d,14～28 d,共3個水平。

計算得到方差分析指標見表3。

表3 玄武巖方差分析Table 3 Analysis of variance for Basalt

從表3可以看出:在90%的置信水平下,混凝土設計強度等級、養(yǎng)護齡期以及兩者的交互作用對巖石與混凝土界面抗剪強度的影響均不顯著,但齡期影響顯著性高于設計強度等級。圖8為C20和C30混凝土設計強度等級時巖混界面抗剪強度隨齡期變化情況,相同齡期時強度取樣本均值。

圖8 不同設計強度等級混凝土的平均抗剪強度隨齡期變化Fig.8 Variations of mean shear strength in different strength grades of concrete with curing ages

由圖8可見:總體上大于7 d后齡期對界面抗剪強度的影響可忽略,3 d左右的齡期對界面抗剪強度影響明顯,隨齡期的增長界面抗剪強度有明顯的增加,這與混凝土強度隨齡期的變化規(guī)律較接近。雖然玄武巖與混凝土界面存在巖石相與混凝土相物質結構,但是接觸界面微觀結構發(fā)生的變化主要為混凝土的水化與固化反應。而混凝土早期不斷進行的水化反應,使混凝土內部逐漸密實,混凝土與基巖的黏結強度不斷增加,7 d后玄武巖與混凝土界面的抗剪強度增長放緩并趨于穩(wěn)定,水化反應逐漸變緩,混凝土內部結構也趨于穩(wěn)定。在巖石與混凝土之間的接觸面附近,混凝土水化反應產生的膠結物質較少,對界面抗剪強度影響較小。

結合巖石與混凝土界面的細觀測試,可以看出3 d初凝后混凝土與巖石接觸面的咬合與握裹作用基本形成,隨著齡期的增長晶體析出物繼續(xù)增多,因此,試驗齡期增大一定程度上有助于提高巖-混界面強度,但僅在早期影響較大,7 d后的提升作用較為有限。

根據(jù)試驗結果確定巖-混界面抗剪強度時所對應的界面相對位移與模型混凝土養(yǎng)護齡期的分布情況如圖9所示。

圖9 不同養(yǎng)護齡期模型試驗極限位移分布情況Fig.9 Distribution of ultimate displacement of model tests in different curing ages

由圖9不難發(fā)現(xiàn):混凝土養(yǎng)護齡期7 d以內的模型試驗確定界面抗剪強度所對應的極限位移,明顯大于7 d以上的試驗,尤其設計強度等級為C20的混凝土極限位移隨齡期增長而減小。

3.3 完整性的影響

從模型制作和試驗方法看,提出的方法可對完整性為較破碎的巖樣進行界面抗剪強度試驗。

玄武巖作為巖漿巖一種,多孔,屬于硬質巖。試驗用巖樣除了玄武巖固有的特性外,完整性也稍有差異。根據(jù)表1中巖樣描述,主要分為較完整和含裂縫(存在1～2條裂縫)共2類。根據(jù)試驗結果,分析得到較完整巖樣與混凝土間抗剪強度平均值為3.01 MPa(共12個樣本),含裂縫巖樣與混凝土間抗剪強度均值為2.67 MPa(共15個樣本)。因此,可以認為巖樣完整性對巖混界面抗剪強度稍有影響,玄武巖完整性越好界面抗剪強度越高。

4 結束語

研究影響巖石與混凝土界面抗剪強度的因素,設計了一套用于巖石與混凝土界面抗剪性能測試的裝置,并進行了一系列的玄武巖與設計強度等級為C20和C30混凝土界面抗剪性能試驗。分析了接觸面尺度因素、混凝土設計強度等級和齡期、巖石完整性對界面抗剪強度的影響,主要結論得到:

1)該試驗裝置能夠有效地對巖石與混凝土界面抗剪性能進行研究。通過該試驗裝置獲得的荷載位移曲線一般存在峰值點,能夠確定破壞時的位移及極限抗剪承載力。

2)在模型試驗中,接觸面積對模型上拔荷載的影響顯著,兩者可采用線性關系進行線性擬合;巖樣的高度與直徑對界面抗剪強度的影響較小,但巖樣高度越大則強度試驗統(tǒng)計變異系數(shù)越小。

3)在90%置信概率下,混凝土設計強度等級、齡期對界面強度影響均不顯著;然而混凝土齡期增大一定程度上有助于提高巖石與混凝土界面強度,尤其初凝階段,齡期超過7 d后對界面強度提升作用有限,但可降低達到剪切強度時的極限位移。

4)提升巖石完整性有利于增強巖石與混凝土界面抗剪強度,但進一步的精細分析還須定量化地描述巖石樣本的完整程度。