玄武岩-混凝土界面抗剪性能的影响因素及特征分析

2023-05-25丁士君丁民涛聂治豹

工业建筑 2023年1期

丁士君丁民涛满银聂治豹

(中国电力科学研究院有限公司, 北京 100055)

岩石地基具有承载力高、压缩性低、稳定性好等特点,是各类工程基础的主要持力层,在山地丘陵等地区往往基岩面浅、覆盖层薄。目前,在途径山区的输电线路工程中,基础大多采用嵌岩型挖孔桩、岩石锚杆等类型的基础,这类基础承载时混凝土与基岩的接触界面常成为了薄弱部分。若界面强度不满足设计要求,便浪费了基岩的坚固性及基础结构的抗拉性能。[1-6]玄武岩是一种细粒致密、外观呈黑色的火成岩,由基性岩浆喷发凝结而成,喷发时产生大量气孔;由于岩浆的黏度小,易于流动,可形成大面积的泛流玄武岩。我国玄武岩分布广泛。

岩石与混凝土界面的力学特性是国内外学者研究的重要内容,其中关于界面岩石侧粗糙度的影响研究较多。岩石界面粗糙度的处理方式有光滑处理、切割开槽处理等。[7-9]文献[10-11]介绍了对不同表面粗糙度岩石-混凝土界面剪切试验的研究,结果表明岩石表面粗糙度会增强混凝土与岩石机械咬合力,致使其界面剪切强度增大。文献[12-13]介绍了对骨料类型和表面粗糙度等对骨料与砂浆界面断裂性能影响的研究,结果表明试样的强度随着骨料表面粗糙度的增大而增大。

此外还有关于界面的断裂韧性[14]、能量释放速率[15-16]、开裂方式[9,17]及界面材料属性的研究。王保田等通过岩石与混凝土界面直接剪切试验获得了全风化至微风化花岗岩与混凝土胶结面的抗剪强度指标,表明风化程度越高直接剪切强度越低。[18]林伟平等通过现场抗剪试验,发现混凝土强度对岩石-混凝土胶结物的抗剪强度存在影响,基岩强度被削弱,相应的胶结面抗剪强度也会有所降低。[19]

混凝土与其他高强材料界面的抗剪性能试验研究方面,郭立湘等对方形和矩形钢管混凝土试件的界面抗剪强度进行了试验研究,根据试验数据的下限,提出界面抗剪强度标准值的计算式,研究表明强度随壁板宽厚比增加而减小。[20]文献[21-23]介绍了对不同强度等级混凝土中砂浆-骨料界面断裂力学参数、骨料表面粗糙度等特性对混凝土复合材料及其力学性能的影响,结果表明界面断裂韧性、骨料表面粗糙度越高,则构件的承载韧性越好。

现有研究通常将岩石与混凝土的耦合界面简化成平面接触问题,忽略界面一侧的力学特性,称为一体多介质模型,混凝土与岩石界面抗剪强度试验主要采用平面接触的直剪方式,与工程实际基础与基岩接触面形态吻合度不高。另外混凝土基础与岩石间力学参数的设计取值以经验为主,基础结构、基岩的强度不匹配,导致基础的设计偏差较大,易造成深基坑安全风险增大、施工质量难保证等问题。

鉴于室内岩石与混凝土胶结面的抗剪强度对于实际工程具有指导意义,特别是基岩类型、混凝土强度等级等对胶结面的抗剪强度影响较大,研究采取桩侧岩混界面缩尺模型及静载荷试验方法,开展玄武岩与混凝土界面抗剪强度试验研究。

1 室内试验

1.1 试验装置

试验装置主要构件包括:管腔、剪切杆、围岩模拟组件、加荷千斤顶及测试器件,试验装置及其示意如图1所示。

a—装置示意; b—试验实景。图1 岩石与混凝土界面抗剪性能测试装置Fig.1 Test devices for shear properties of rock-concrete interfaces

试验装置中接触界面岩石侧通过原位钻取环状芯样模拟;放置岩样的合金管腔与环状岩石芯样间通过浇筑混凝土来模拟围岩压力,并通过混凝土初凝前在其顶部加压、初凝后拆除的方式来实现围压模拟;剪切面通过选择合适的盖板来控制,实现岩石与混凝土界面的剪切滑移。

装置可保证剪切面位于岩石与混凝土界面,以及模拟现场基岩的围岩压力环境等,能够精准测量拉力杆上拔荷载、芯样和混凝土锚固体位移等指标,并根据力与位移关系特征,获得上拔过程中岩石与混凝土界面的抗剪强度等参数。

1.2 模型制作

岩石与混凝土界面缩尺模型制作包括环状岩石芯样钻取、打磨、岩样围压压力模拟、锚固混凝土浇筑等流程。

1)在现场岩体钻取环状芯样,岩样内径为80～180 mm,壁厚为20～40 mm,适用于测试装置管腔套管内径为150～230 mm。

2)打磨环状圆柱岩样两端,岩样存在破裂面时利用石膏等胶结材料黏合呈整体,或芯样外部采用胶带拼接,当样品局部存在缺失时可用石膏等强度较低、硬化较快的材料填补,形成柱形样品(图2a)。

a—现状钻取的芯样; b—芯样放置; c—岩样洗孔; d—锚固体浇筑。图2 样品制作过程Fig.2 Fabrication of specimens

3)将环状岩样放入合金管腔内,确保岩样内侧圆柱与合金管内腔同轴,随后在岩样外表面与装置腔体内表面之间(图2b)填充流体或胶结材料,在其初凝前施加一定的压力,以对岩样形成围压,约3 d后卸除围压。

4)将拉力杆放入环状岩样内,拉力杆端部适当采取焊接多层锚固板等加强措施,以保证上拔测试过程中剪切杆不会从混凝土中脱出,最后向环状柱形岩样内部孔隙注入混凝土,洗孔与混凝土浇筑见图2c和图2d。

5)混凝土养护至预定时间,完成试验件制作。

1.3 试验方法

1)采用分级加载,每级荷载维持时间10 min,其中每1 min记录一次位移数据;当2 min混凝土与环状岩石在锚固体顶面位移增量Δs不大于0.1 mm时,表示该级荷载作用下变形达稳定状态,可进行下一级加载。

2)加载终止条件包括:发生混凝土锚固体被拔出、岩样开裂等现象,且荷载无法维持;或荷载与位移关系曲线出现拐点,且该级位移量不小于6 mm,其中当位移量与荷载增量之比,与上一级位移量与荷载增量之比的比值不小于10,视为荷载-位移曲线出现拐点;或锚固体顶部轴向位移超过30 mm(条件允许时可加载至50 mm);或达到试验设备及拉力杆的最大加载能力。

3)剪切强度计算荷载取值:当拐点在荷载与位移关系曲线中对应的位移量不大于4 mm时,按拐点对应的荷载为强度计算值;当拐点对应位移量大于4 mm或未出现拐点时,可取4 mm位移量对应的该级荷载为强度计算值。

4)剪切强度τs按τs=Qs/(πdlb)。其中Qs为强度计算荷载值;d为混凝土锚固体直径;lb为有效锚固剪切段长度,应扣除锚固体被拔出露在外的岩样部分。

1.4 试验方案

试验用芯样取自内蒙古乌兰察布市,岩样为灰色玄武岩,风化程度为中—强等级,多孔,岩样岩石完整性情况见表1。为分析玄武岩与混凝土界面抗剪强度的影响因素,采用不同混凝土设计强度等级、龄期来设计试验。其中水泥采用P·O 32.5R水泥,水为自来水,骨料为粒径不大于20 mm的细石和中砂。

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

试验规格和尺寸见表1所示,共设计30个模型试验。

试验变量包括:

1)岩芯采用100,150,200,250,285,290,292 mm,共6种长度。

2)岩芯采用80,84,120,160 mm,共4种内径。

3)混凝土设计强度等级为C20、C30,两种规格。

4)混凝土采用三种龄期范围,分别为小于7 d、7～14 d及大于14 d。

试验采用“Y岩芯长度-岩芯内径-混凝土龄期及a、b、c”规则进行编号,a、b、c代表相同岩芯长度、内径和混凝土龄期试件的试验序号。

此外,岩石环状芯样现场钻取采用水磨钻法,与一般岩石基坑施工类似,试验中未考虑粗糙度的影响。

进行剪切载荷试验的同时,利用高倍显微镜对不同龄期的模型切片进行细观测试(图3),以观测岩样与混凝土接触部位结构与外观随龄期的演化。

a—观测样品; b—电子显微镜。图3 细观测试样品和仪器Fig.3 Microscopic tests on specimens and instruments

2 试验结果

2.1 荷载-位移关系曲线

岩石与混凝土界面抗剪强度室内试验得到的荷载与位移关系曲线见图4。

a—岩芯长度介于100～150 mm; b—岩芯长度介于200～250 mm; c—岩芯长度介于280～292 mm。图4 试验荷载与位移关系曲线Fig.4 Relation curves between uplift loads and displacements of tests

2.2 破坏模式

图5为试验过程中发生的破坏模式。从中可以发现:混凝土锚固体被整体拉出,保持了较高的完整性。破坏面位于岩石及混凝土的交界面上,为剪切破坏模式,实现了预期试验目的。

图5 试样的破坏模式Fig.5 A failure mode of specimens

2.3 细观测试结果

取不同龄期混凝土的试样放置于高倍显微镜下进行观察,结果如图6所示。可以发现:玄武岩与混凝土界面由岩石相与混凝土相组成,两者咬合充分。岩石相表面存在部分凸起及孔隙,经3 d龄期初凝后孔隙、凹槽即被填充、包裹;随着龄期的增长界面的结构变化不大,但混凝土部分水化析出的白色晶体增多,该现象也说明龄期(大于3 d)增长对胶结力影响不显著。

3 界面抗剪强度影响因素的分析

3.1 界面接触尺度因素

在图4中,除了少数试验荷载位移曲线因拉力杆屈服等现象而表现出缓变型特征外,其他均有明显的峰值点,因此将峰值点确定为界面极限抗剪承载力;对于缓变型的曲线选取4 mm对应的荷载确定为极限抗剪承载力。根据试验结果,绘制了不同有效接触面积与极限抗剪承载力散点图(图7)。可以看出:整体上接触面积与极限抗剪承载力呈正相关。将图7中的散点进行线性拟合,拟合结果为τu=2.81se,其中,se为有效接触面积,曲线的决定系数R2=0.928 6。其中,Y10-8-14、Y20-8-13、Y25-8-12试验结果离散性过大,计算剪切强度均超过5 MPa,超过均值的50%以上,明显大于其他试验值,差异可能是岩样内径上小下大等原因所致。剔除该三个试验结果,对试验强度位于统计样本均值的50%～150%内的试验值进行统计分析。

图7 有效接触面积与极限抗剪承载力的关系Fig.7 Relations between effective contact areas and the ultimate shear strength

对表2中强度平均值和变异系数值进行分析可以得出:变异系数的平均值为0.23,岩样的高度与直径的变化对抗剪强度试验结果的影响较小。但是,岩样高度越小变异系数越大,结合试验现象,这主要是由于有效剪切面计算偏差引起离散性较大,岩样高度越大,剪切面积偏差越小。

表2 不同岩样高度和直径条件下抗剪强度统计分析Table 2 Statistical analysis results of shear strength in different conditions of heights and diameters for rock specimens

3.2 龄期与设计强度的影响

混凝土龄期与设计强度等级的影响采用不重复试验次数的两因素方差法进行统计分析。方差统计分析方法是用总偏差平方和(式(1))来描述数据的波动。即:

(1)

(2)

不考虑因子之间交互作用,进行平方和分解时引起数据波动的原因有四项:因子A的水平不同、因子B的水平不同以及A、B因素交互影响和随机误差。因此数据的总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比来评价各因子对承载力的影响程度,其定义为各因子的方差与误差方差的比值,即FA=VA/VE、FB=VB/VE、FAB=VAB/VE。

然后根据在一定的置信水平(1-α)下根据F与Fα(l,m)的关系确定是否接受影响的显著性,其中l为各因子偏差平方和所对应的自由度,m为误差偏差平方和对应的自由度,当F>Fα(l,m)时接受对应因素影响显著,否则拒绝,即认为不显著,一般置信水平取90%。

对于玄武岩进行主要因素影响的方差分析,因素包括:

1)混凝土设计强度等级(A因素):C20、C30,共2个水平;2)龄期(B因素):按3～6 d,7～13 d,14～28 d,共3个水平。

计算得到方差分析指标见表3。

表3 玄武岩方差分析Table 3 Analysis of variance for Basalt

从表3可以看出:在90%的置信水平下,混凝土设计强度等级、养护龄期以及两者的交互作用对岩石与混凝土界面抗剪强度的影响均不显著,但龄期影响显著性高于设计强度等级。图8为C20和C30混凝土设计强度等级时岩混界面抗剪强度随龄期变化情况,相同龄期时强度取样本均值。

图8 不同设计强度等级混凝土的平均抗剪强度随龄期变化Fig.8 Variations of mean shear strength in different strength grades of concrete with curing ages

由图8可见:总体上大于7 d后龄期对界面抗剪强度的影响可忽略,3 d左右的龄期对界面抗剪强度影响明显,随龄期的增长界面抗剪强度有明显的增加,这与混凝土强度随龄期的变化规律较接近。虽然玄武岩与混凝土界面存在岩石相与混凝土相物质结构,但是接触界面微观结构发生的变化主要为混凝土的水化与固化反应。而混凝土早期不断进行的水化反应,使混凝土内部逐渐密实,混凝土与基岩的黏结强度不断增加,7 d后玄武岩与混凝土界面的抗剪强度增长放缓并趋于稳定,水化反应逐渐变缓,混凝土内部结构也趋于稳定。在岩石与混凝土之间的接触面附近,混凝土水化反应产生的胶结物质较少,对界面抗剪强度影响较小。

结合岩石与混凝土界面的细观测试,可以看出3 d初凝后混凝土与岩石接触面的咬合与握裹作用基本形成,随着龄期的增长晶体析出物继续增多,因此,试验龄期增大一定程度上有助于提高岩-混界面强度,但仅在早期影响较大,7 d后的提升作用较为有限。

根据试验结果确定岩-混界面抗剪强度时所对应的界面相对位移与模型混凝土养护龄期的分布情况如图9所示。

图9 不同养护龄期模型试验极限位移分布情况Fig.9 Distribution of ultimate displacement of model tests in different curing ages

由图9不难发现:混凝土养护龄期7 d以内的模型试验确定界面抗剪强度所对应的极限位移,明显大于7 d以上的试验,尤其设计强度等级为C20的混凝土极限位移随龄期增长而减小。

3.3 完整性的影响

从模型制作和试验方法看,提出的方法可对完整性为较破碎的岩样进行界面抗剪强度试验。

玄武岩作为岩浆岩一种,多孔,属于硬质岩。试验用岩样除了玄武岩固有的特性外,完整性也稍有差异。根据表1中岩样描述,主要分为较完整和含裂缝(存在1～2条裂缝)共2类。根据试验结果,分析得到较完整岩样与混凝土间抗剪强度平均值为3.01 MPa(共12个样本),含裂缝岩样与混凝土间抗剪强度均值为2.67 MPa(共15个样本)。因此,可以认为岩样完整性对岩混界面抗剪强度稍有影响,玄武岩完整性越好界面抗剪强度越高。