丁士君 丁民濤 滿 銀 聶治豹

(中國電力科學(xué)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(diǎn),是各類工程基礎(chǔ)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(chǔ)大多采用嵌巖型挖孔樁、巖石錨桿等類型的基礎(chǔ),這類基礎(chǔ)承載時(shí)混凝土與基巖的接觸界面常成為了薄弱部分。若界面強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求,便浪費(fèi)了基巖的堅(jiān)固性及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的抗拉性能。[1-6]玄武巖是一種細(xì)粒致密、外觀呈黑色的火成巖,由基性巖漿噴發(fā)凝結(jié)而成,噴發(fā)時(shí)產(chǎn)生大量氣孔;由于巖漿的黏度小,易于流動(dòng),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(xué)特性是國內(nèi)外學(xué)者研究的重要內(nèi)容,其中關(guān)于界面巖石側(cè)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(xiàn)[10-11]介紹了對不同表面粗糙度巖石-混凝土界面剪切試驗(yàn)的研究,結(jié)果表明巖石表面粗糙度會(huì)增強(qiáng)混凝土與巖石機(jī)械咬合力,致使其界面剪切強(qiáng)度增大。文獻(xiàn)[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(jié)果表明試樣的強(qiáng)度隨著骨料表面粗糙度的增大而增大。

此外還有關(guān)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(yàn)獲得了全風(fēng)化至微風(fēng)化花崗巖與混凝土膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),表明風(fēng)化程度越高直接剪切強(qiáng)度越低。[18]林偉平等通過現(xiàn)場抗剪試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度對巖石-混凝土膠結(jié)物的抗剪強(qiáng)度存在影響,基巖強(qiáng)度被削弱,相應(yīng)的膠結(jié)面抗剪強(qiáng)度也會(huì)有所降低。[19]

混凝土與其他高強(qiáng)材料界面的抗剪性能試驗(yàn)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(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的下限,提出界面抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算式,研究表明強(qiáng)度隨壁板寬厚比增加而減小。[20]文獻(xiàn)[21-23]介紹了對不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中砂漿-骨料界面斷裂力學(xué)參數(shù)、骨料表面粗糙度等特性對混凝土復(fù)合材料及其力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明界面斷裂韌性、骨料表面粗糙度越高,則構(gòu)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(cè)的力學(xué)特性,稱為一體多介質(zhì)模型,混凝土與巖石界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)主要采用平面接觸的直剪方式,與工程實(shí)際基礎(chǔ)與基巖接觸面形態(tài)吻合度不高。另外混凝土基礎(chǔ)與巖石間力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)取值以經(jīng)驗(yàn)為主,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、基巖的強(qiáng)度不匹配,導(dǎo)致基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)偏差較大,易造成深基坑安全風(fēng)險(xiǎn)增大、施工質(zhì)量難保證等問題。

鑒于室內(nèi)巖石與混凝土膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度對于實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義,特別是基巖類型、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等對膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度影響較大,研究采取樁側(cè)巖混界面縮尺模型及靜載荷試驗(yàn)方法,開展玄武巖與混凝土界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要構(gòu)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(yàn)裝置及其示意如圖1所示。

a—裝置示意; b—試驗(yàn)實(shí)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(yàn)裝置中接觸界面巖石側(cè)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(shí)現(xiàn)圍壓模擬;剪切面通過選擇合適的蓋板來控制,實(shí)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(zhǔn)測量拉力桿上拔荷載、芯樣和混凝土錨固體位移等指標(biāo),并根據(jù)力與位移關(guān)系特征,獲得上拔過程中巖石與混凝土界面的抗剪強(qiáng)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(nèi)徑為80～180 mm,壁厚為20～40 mm,適用于測試裝置管腔套管內(nèi)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(shí)利用石膏等膠結(jié)材料黏合呈整體,或芯樣外部采用膠帶拼接,當(dāng)樣品局部存在缺失時(shí)可用石膏等強(qiáng)度較低、硬化較快的材料填補(bǔ),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(nèi),確保巖樣內(nèi)側(cè)圓柱與合金管內(nèi)腔同軸,隨后在巖樣外表面與裝置腔體內(nèi)表面之間(圖2b)填充流體或膠結(jié)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(nèi),拉力桿端部適當(dāng)采取焊接多層錨固板等加強(qiáng)措施,以保證上拔測試過程中剪切桿不會(huì)從混凝土中脫出,最后向環(huán)狀柱形巖樣內(nèi)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(hù)至預(yù)定時(shí)間,完成試驗(yàn)件制作。

1.3 試驗(yàn)方法

1)采用分級(jí)加載,每級(jí)荷載維持時(shí)間10 min,其中每1 min記錄一次位移數(shù)據(jù);當(dāng)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(shí),表示該級(jí)荷載作用下變形達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),可進(jìn)行下一級(jí)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(guān)系曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),且該級(jí)位移量不小于6 mm,其中當(dāng)位移量與荷載增量之比,與上一級(jí)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(diǎn);或錨固體頂部軸向位移超過30 mm(條件允許時(shí)可加載至50 mm);或達(dá)到試驗(yàn)設(shè)備及拉力桿的最大加載能力。

3)剪切強(qiáng)度計(jì)算荷載取值:當(dāng)拐點(diǎn)在荷載與位移關(guān)系曲線中對應(yīng)的位移量不大于4 mm時(shí),按拐點(diǎn)對應(yīng)的荷載為強(qiáng)度計(jì)算值;當(dāng)拐點(diǎn)對應(yīng)位移量大于4 mm或未出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí),可取4 mm位移量對應(yīng)的該級(jí)荷載為強(qiáng)度計(jì)算值。

4)剪切強(qiáng)度τs按τs=Qs/(πdlb)。其中Qs為強(qiáng)度計(jì)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(yīng)扣除錨固體被拔出露在外的巖樣部分。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用芯樣取自內(nèi)蒙古烏蘭察布市,巖樣為灰色玄武巖,風(fēng)化程度為中—強(qiáng)等級(jí),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(qiáng)度的影響因素,采用不同混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、齡期來設(shè)計(jì)試驗(yàn)。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(xì)石和中砂。

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

試驗(yàn)規(guī)格和尺寸見表1所示,共設(shè)計(jì)30個(gè)模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)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(nèi)徑。

3)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)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(yàn)采用“Y巖芯長度-巖芯內(nèi)徑-混凝土齡期及a、b、c”規(guī)則進(jìn)行編號(hào),a、b、c代表相同巖芯長度、內(nèi)徑和混凝土齡期試件的試驗(yàn)序號(hào)。

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(yàn)中未考慮粗糙度的影響。

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

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

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 荷載-位移關(guān)系曲線

巖石與混凝土界面抗剪強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)得到的荷載與位移關(guān)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(yàn)荷載與位移關(guān)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(yàn)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(shí)現(xiàn)了預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

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

2.3 細(xì)觀測試結(jié)果

取不同齡期混凝土的試樣放置于高倍顯微鏡下進(jìn)行觀察,結(jié)果如圖6所示?？梢园l(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(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)力影響不顯著。

3 界面抗剪強(qiáng)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(yàn)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(diǎn),因此將峰值點(diǎn)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(yīng)的荷載確定為極限抗剪承載力。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,繪制了不同有效接觸面積與極限抗剪承載力散點(diǎn)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(guān)。將圖7中的散點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,擬合結(jié)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(yàn)結(jié)果離散性過大,計(jì)算剪切強(qiáng)度均超過5 MPa,超過均值的50%以上,明顯大于其他試驗(yàn)值,差異可能是巖樣內(nèi)徑上小下大等原因所致。剔除該三個(gè)試驗(yàn)結(jié)果,對試驗(yàn)強(qiáng)度位于統(tǒng)計(jì)樣本均值的50%～150%內(nèi)的試驗(yàn)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

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

對表2中強(qiáng)度平均值和變異系數(shù)值進(jìn)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。但是,巖樣高度越小變異系數(shù)越大,結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象,這主要是由于有效剪切面計(jì)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(qiáng)度統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響

混凝土齡期與設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的影響采用不重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)的兩因素方差法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。方差統(tǒng)計(jì)分析方法是用總偏差平方和(式(1))來描述數(shù)據(jù)的波動(dòng)。即:

(1)

(2)

不考慮因子之間交互作用,進(jìn)行平方和分解時(shí)引起數(shù)據(jù)波動(dòng)的原因有四項(xiàng):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(jī)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(píng)價(jià)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(guān)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(yīng)的自由度,m為誤差偏差平方和對應(yīng)的自由度,當(dāng)F>Fα(l,m)時(shí)接受對應(yīng)因素影響顯著,否則拒絕,即認(rèn)為不顯著,一般置信水平取90%。

對于玄武巖進(jìn)行主要因素影響的方差分析,因素包括:

1)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)(A因素):C20、C30,共2個(gè)水平;2)齡期(B因素):按3～6 d,7～13 d,14～28 d,共3個(gè)水平。

計(jì)算得到方差分析指標(biāo)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(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、養(yǎng)護(hù)齡期以及兩者的交互作用對巖石與混凝土界面抗剪強(qiáng)度的影響均不顯著,但齡期影響顯著性高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。圖8為C20和C30混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)時(shí)巖混界面抗剪強(qiáng)度隨齡期變化情況,相同齡期時(shí)強(qiáng)度取樣本均值。

圖8 不同設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)混凝土的平均抗剪強(qiáng)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(qiáng)度的影響可忽略,3 d左右的齡期對界面抗剪強(qiáng)度影響明顯,隨齡期的增長界面抗剪強(qiáng)度有明顯的增加,這與混凝土強(qiáng)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(zhì)結(jié)構(gòu),但是接觸界面微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化主要為混凝土的水化與固化反應(yīng)。而混凝土早期不斷進(jìn)行的水化反應(yīng),使混凝土內(nèi)部逐漸密實(shí),混凝土與基巖的黏結(jié)強(qiáng)度不斷增加,7 d后玄武巖與混凝土界面的抗剪強(qiáng)度增長放緩并趨于穩(wěn)定,水化反應(yīng)逐漸變緩,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)較少,對界面抗剪強(qiáng)度影響較小。

結(jié)合巖石與混凝土界面的細(xì)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(yàn)齡期增大一定程度上有助于提高巖-混界面強(qiáng)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(yàn)結(jié)果確定巖-混界面抗剪強(qiáng)度時(shí)所對應(yīng)的界面相對位移與模型混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的分布情況如圖9所示。

圖9 不同養(yǎng)護(hù)齡期模型試驗(yàn)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(hù)齡期7 d以內(nèi)的模型試驗(yàn)確定界面抗剪強(qiáng)度所對應(yīng)的極限位移,明顯大于7 d以上的試驗(yàn),尤其設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)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(yàn)方法看,提出的方法可對完整性為較破碎的巖樣進(jìn)行界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。

玄武巖作為巖漿巖一種,多孔,屬于硬質(zhì)巖。試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果,分析得到較完整巖樣與混凝土間抗剪強(qiáng)度平均值為3.01 MPa(共12個(gè)樣本),含裂縫巖樣與混凝土間抗剪強(qiáng)度均值為2.67 MPa(共15個(gè)樣本)。因此,可以認(rèn)為巖樣完整性對巖混界面抗剪強(qiáng)度稍有影響,玄武巖完整性越好界面抗剪強(qiáng)度越高。

4 結(jié)束語

研究影響巖石與混凝土界面抗剪強(qiáng)度的因素,設(shè)計(jì)了一套用于巖石與混凝土界面抗剪性能測試的裝置,并進(jìn)行了一系列的玄武巖與設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20和C30混凝土界面抗剪性能試驗(yàn)。分析了接觸面尺度因素、混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)和齡期、巖石完整性對界面抗剪強(qiáng)度的影響,主要結(jié)論得到:

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

2)在模型試驗(yàn)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(guān)系進(jìn)行線性擬合;巖樣的高度與直徑對界面抗剪強(qiáng)度的影響較小,但巖樣高度越大則強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變異系數(shù)越小。

3)在90%置信概率下,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、齡期對界面強(qiáng)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(qiáng)度,尤其初凝階段,齡期超過7 d后對界面強(qiáng)度提升作用有限,但可降低達(dá)到剪切強(qiáng)度時(shí)的極限位移。

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