旋挖成孔方式下螺纹状围岩粗糙度量化分析

张强, 刘汉顺, 张振华, 杨灿文, 罗扣, 殷永高, 徐恒晖, 张丹

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司, 武汉 430056; 2.合肥工业大学 土木与水利工程学院, 合肥 230009)

嵌岩桩以其承载力大、变形小、侧向刚度大的优点,在大跨径桥梁工程中得到广泛应用。在成桩过程中,由于钻孔工具等因素,桩-岩界面上会形成系列起伏的三维粗糙体,对桩身荷载传递机制、桩基承载力计算至关重要[1-6]。因此准确量化实际钻挖后桩-岩粗糙体的三维粗糙度特征,是建立基于界面粗糙度的桩基承载力设计方法首先需要解决的问题。

中外学者已经认识到桩-岩界面粗糙度对界面强度特性影响显著,并开展大量研究。Johnston等[7]首先用规则三角形粗糙体等效代替桩-岩界面粗糙度,并通过剪切试验结果进一步建立了规则三角形桩-岩界面力学分析模型。付郁桐[8]、张宇浩[9]采用人工凿毛法模拟桩-岩界面粗糙度,分别分析了红层泥岩嵌岩桩竖向荷载传递特性和桩-岩界面剪切特性。赵明华等[10]利用三角锯齿状建立适于弱质岩石嵌岩桩的粗糙体模型,探讨了桩侧摩阻力和桩身轴力随深度变化的分布规律。赵衡等[11]将桩-岩界面粗糙体简化为规则的三角形锯齿来研究不同尺寸的三角形锯齿对桩-岩界面抗剪强度发挥程度的影响。以上研究较为详细地探讨了基于规则三角形粗糙体的桩-岩剪切强度特征及嵌岩桩荷载传递规律。然而由于实际工程中桩-岩界面上粗糙体是三维形态,在应用考虑粗糙度特征的嵌岩桩分析理论时,有必要探明实际嵌岩桩-岩界面粗糙度特征,对其进行量化分析才能在实际工程中开展应用。

Barton[12]提出的估算结构面抗剪强度的JRC(joint roughness coefficient)与结构面壁岩强度(joint wall compressive strength, JCS)型(即JRC-JCS模型)中在工程实践中被广泛使用,其模型中描述界面粗糙度特征的参数JRC在实际工程中如何量化获得广泛研究。对于二维粗糙轮廓,中外学者采用结构面轮廓均方根Z2和结构函数SF[13]、伸长率(R)[14]、分形维数(D)[15]、相对起伏幅度和伸长率[16]、剖面长度比和最大起伏度[17]、粗糙度轮廓指数(Rp)[18]来估算JRC3D。对于三维粗糙体,也有学者采用三维分形维数[19]、结构面光亮面积百分比[20]、三维平均倾角和最大可能接触面积比[21]、起伏度与面积扩展率[22]、粗糙度参数(Aj)[23]、粗糙度剖面指数[24]等参数来估算三维JRC3D。以上方法对实际砂岩界面粗糙度的描述提供了较多描述方法。然而少有学者针对实际桩-岩界面特征进行研究,量化分析实际桩-岩界面的粗糙度特征规律,这对深嵌岩桩的准确设计极为重要。

为此,依托马鞍山长江大桥嵌岩桩基工程,在现场钻取含粗糙界面的砂岩试样,通过三维激光扫描获重塑桩-岩界面数字化模型;据此对桩-岩界面粗糙度特征,如面积扩展率(S)等进行量化分析;最后量化实际桩-岩界面JRC3D特征值,并与已有室内试验中粗糙体界面对比,以期为实际工程中嵌岩桩-岩界面粗糙度的量化及桩-岩界面强度特性的预测提供科学依据。

1 实际桩-岩界面三维数字化模型

1.1 实际桩-岩界面

马鞍长江大桥采用大直径、深嵌岩桩基(桩径4 m,桩长80 m),桥址区为弱风化砂岩层。钻机贯入到弱风化砂岩地层时,会在砂岩表面形成一系列高低起伏的螺纹状粗糙体。现场取回含粗糙界面砂岩如图1(a)所示,同时给出试验中人工凿毛粗糙面和规则锯齿状粗糙面。可以发现实际桩-岩界面的粗糙面与人工凿毛法、规则三角形的粗糙面具有明显差异。人工凿毛法的粗糙面[8]呈散点式分布有大量不规则空洞、凹槽[图1(b)];规则锯齿形粗糙面[11]则有一系列规则三角形锯齿状轮廓组成[图1(c)[11]],并无相对平滑的接触面区域。实际桩-岩粗糙面有规则的螺纹状凹槽,而凹槽和凸面则表现为起伏较低的相对平整面。

图1 不同界面粗糙度Fig.1 Roughness of different interfaces

由于粗糙面呈三维圆弧状,整体量化分析较为困难。因此在不改变粗糙面特征前提下,将砂岩试样切割成12块底面尺寸为100 mm(长)×100 mm(宽)、最高点至底面高度为55 mm的岩块,标号为A01～A12,如图2所示。可确保每个试样包含完整砂岩粗糙界面特征的前提下,将其近似简化为粗糙平面进行量化分析。

图2 桩-岩界面试样Fig.2 Pile-rock interface samples

1.2 桩-岩界面粗糙体三维重构

首先采用三维激光扫描仪对砂岩粗糙度形貌进行点云数据采集。三维激光扫描设备由TEXU200W拍照式三维扫描仪、旋转盘、显示器、三脚架等组成,如图3所示。该仪器激光采用先进的蓝光光栅扫描技术,配合双目200万像素工业相机,扫描方式为非接触式LED蓝光扫描,可以在复杂的光环境下进行扫描,除蓝光外的光线都被过滤,从而提高扫描精度与效果。通过三维激光扫描可将岩块表面粗糙度形貌离散为421 568～508 435个三维坐标点的点云数据,再利用平面投影的方法和Delaunay生长法相结合的构网方法,先将相邻的三个三维点坐标连成三角形微元,用三角化网格覆盖点云,生成mash网格,最终获得围岩侧壁粗糙面的三维数字化模型,如图4所示。

图3 扫描装置Fig.3 Scanning device

图4 Delauuay生长法Fig.4 Delauuay growth method

图5为A01试样三维数字化模型与实物图对比,其中0 mm代表砂岩粗糙面的基准高度40 mm,蓝色部分表示高于基准面4 mm以下,红色部分表示高于基准面8 mm以上。可以发现,三维数字化模型能够清晰地再现A01试样实物图中的螺纹凹陷、局部凸起等外貌特征,表明采用平面投影方法和Delaunay生长法相结合的构网方法精度高,出错率较低,重塑后三维形貌图可以很好地反映实际桩-岩界面试样的粗糙度特征。图6为采用三维激光扫描重塑后获得的12个岩块试样粗糙面的三维形貌重构图。

图5 桩-岩界面模型与试样对比Fig.5 Comparison of pile-rock interface model and sample

2 桩-岩界面粗糙度特征分析

2.1 面积扩展率

面积扩展率(S)可以很好地描述围岩粗糙体结构面的起伏形态,其表达式[14,21-22]为

(1)

式(1)中:A和A0分别为结构面表面面积和投影面积。

根据1.2节中砂岩界面数字化模型可计算得到每个砂岩试样的表面面积计算其面积扩展率,如表1所示,同时给出文献[21]和文献[22]岩体结构面面积扩展率。由于切样后桩-岩界面试样并不均匀(图5),因此不同试样面积扩展率有所不同。其次,桩-岩界面的面积扩展率(均值为12.76%)远大于常规岩体结构面面积扩展率[8,22]。而相对于二维规则粗糙面(三角形凸起倾斜角为20°)[11],其面积扩展率(长度延伸比为6.4%)也小于实际桩-岩界面面积扩展率。这是因为实际桩-岩界面受旋挖机械影响,界面高差更为显著(约15 mm);而岩体结构面和室内试验中规则粗糙面相比桩-岩界面高差更小(约5 mm)[11,22]。因此常规岩体结构面和室内试验中二维规则粗糙体难以真实表征实际桩-岩界面的粗糙度特征。

表1 面积扩展率S Table 1 Area expansion rate S

2.2 相对平均起伏度

直边法(修正直边法)[25]中,相对起伏度(Rs)被用来表征结构面的粗糙度系数,其表达式为[21-22]

(2)

(3)

根据1.2节中砂岩界面数字化模型,将砂岩界面沿剪切方向进行等间距切割,切割间距为5 mm,如此可将每个砂岩界面简化为20条长为100 mm、间距5 mm的轮廓线,分别对每条轮廓线进行等间距创建点,间距为1 mm,这样每条轮廓线共创建100个点共分成99段。通过找出zmax与zmin即可得到每条轮廓线的轮廓曲线起伏度(RA),进而扩展到三维的结构面起伏度(Rs),计算结果如表2所示,同时给出常规岩体结构面的相对平均起伏度。对比可以看出:实际桩-岩界面相对起伏度均值为0.115,而岩体结构面相对平均起伏度多小于0.06(文献[21]均值为0.06,文献[22]均值为0.03),即实际桩-岩界面平均起伏度远大于岩体结构面平均起伏度,这也是因为受旋挖机械影响的桩岩界面更为粗糙。相对于二维规则粗糙面,其相对平均起伏度(0.012～0.017[11])也远小于实际桩-岩界面平均起伏度,再次表明岩体结构面粗糙度特征和室内试验中规则粗糙体难以反应实际桩-岩界面的粗糙度特征。

我突然意识到：这不正是一种生命的最佳境界吗？古人云：“地低成海，人低成王。”生活需要低调，为人处世更不可高调。低调的人总能捕捉到生命中的意外惊喜，他们懂得默默地奉献自己，积蓄力量等待生命的绽放。而那些一味高调做人只会炫耀自己的人，也许能得到一时的利益，但永远不会在别人的灵魂里留下芬芳。

表2 平均相对起伏度Table 2 Relative average undulation

2.3 桩-岩界面平均倾斜角

Homand等[26]提出了节理表面二维轮廓平均角和整个节理表面轮廓平均角的加权平均值,用来描述节理表面的粗糙程度(图7)。对于一节理表面二维轮廓线,沿某一指定方向的计算公式为

θi为相邻两个点的倾角

(4)

三维

(5)

表3 界面平均倾角Table 3 Average inclination angle

3 围岩粗糙度强度参数

3.1 JRC3D 试验计算

根据Barton等[12,27]提出的结构面JRC-JSC理论,界面强度特征JRC3D可通过式(5)计算,其中界面剪切强度(τ)可通过不同法向应力(σn)下界面剪切试验测得,结构面抗压强度JCS可通过界面抗压试验测得,界面基本内摩擦角(φb)可根据Barton等[12,27]和文献[22]统计结果,可选为30°。因此,选取A1～A6作为代表性试样制备桩-岩界面试样(100 mm×100 mm×100 mm),并采用合肥工业大学岩石压剪试验仪开展3组界面剪切特性和3界面抗压强度特性。剪切试验结果如图8所示,在围压为200、600、1 MPa时桩岩界面剪切强度分别为1.07、1.523、1.808 MPa。界面抗压强度(JCS)为14.14、16.3、18.08 kPa,去均值16.2 kPa计算JRC3D。根据式(5)计算得到实际桩岩界面JRC3D值分别为25.89、26.89、25.67。

图8 桩-岩界面剪切试验结果Fig.8 Results of the direct shear test on pile-rock sample

(6)

式(6)中:JRC为结构面的粗糙度系数;JCS为结构面的抗压强度。

3.2 粗糙体起伏幅度验证分析

目前已有大量学者针对岩土体的粗糙度建立粗糙度模型,如石林等[21]构建了三维岩体粗糙度JRC3D与面积扩展率(S)和结构面起伏度(Rs)的关系;齐豫等[22]建立了参数为结构面起伏角、相对起伏度和面积扩展率的粗糙度JRC3D表征方法;汤庆浩等[17]基于标准轮廓线拟合了JRC与剖面长度比关系,其计算公式分别为

JRC=-3.212-0.951×(100S)+4.532Rs

(7)

JRC=6.423+2.329×(100S)-0.187Rs-

(8)

(9)

表4 JRC3D值的结果对比Table 4 Comparison results of JRC3D

4 结论

实际旋挖钻孔成桩过程中形成的规则螺旋状的桩-岩界面为对象,建立其三维数字化模型;而后对其粗糙度特征值(面积扩展率、相对平均起伏度以及平均倾斜角)和强度特征参数JRC3D进行分析,并与室内试验规则粗糙体进行对比分析,得出如下主要结论。

(1)实际桩-岩界面既有规则的螺纹状凹槽,也有起伏较低的相对平整面,而非室内试验中人工凿毛法的不规则空洞、凹槽界面和规则锯齿形粗糙面的规则三角形锯齿状轮廓。

(2)实际桩-岩界面粗糙度特征参数面积扩展率、相对平均起伏度和界面平均倾斜角,均大于岩体结构面和室内规则粗糙体特征参数,有必要针对实际桩-岩界面剪切特征开展试验研究。