接缝材料及接缝类型对表观黏聚力的影响研究

刘恒博

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

在重力坝中有3种类型的接缝会聚集剪切应力[1]：贯穿岩体的岩石-岩石接缝；岩石-混凝土接缝；混凝土-混凝土升降缝。目前，已对无粘结岩石接缝的剪切行为[2-4]进行了广泛研究，普遍认为粗糙度和风化等参数会影响接缝抗剪强度和性能[5-6]。近年来，大多数研究主要集中在复合材料接缝的性能上，进而促进了剪切行为准则的发展。但这些材料为粘结接缝或具有低强度材料的人工完美互锁齿形表面，不能直接用于大坝设计。

为了简化实际应用，岩石力学指南建议使用莫尔-库仑准则来评估无粘结岩石接缝的抗剪强度，大坝设计指南中也建议使用莫尔-库仑准则来评估结构接缝的抗剪强度。莫尔-库仑准则中考虑了两个不同的黏聚力概念：由接缝壁之间的化学粘结产生的真实黏聚力和表观黏聚力(CAPP)。表观黏聚力是通过直接剪切试验获得的，对给定正常荷载区间下记录的抗剪强度进行线性回归。抗滑动安全系数(SF)使用等式(1)进行估算：

(1)

式中，C—黏聚力，kPa；A—坝基面积，m2；σN—法向应力，kPa；φ—摩擦角，(°)；τ—合成剪切力，MPa。在设计重力坝时，将接缝视为无边界。因此，可用于SF计算的黏聚力为表观黏聚力。但只有在直接剪切试验证明这种表观黏聚力存在的情况下，表观黏聚力才能用于SF计算。然而，实践中通常建议重力坝设计时考虑较低的表观黏聚力值或零黏聚力值。

低法向应力条件下岩石接缝粗糙度和其他影响剪切特性的参数都会影响表观黏聚力值，本研究的目的是评估重力坝在低法向应力下材料力学性能(强度和刚度)对表观黏聚力值的影响。为此，介绍并比较了在低法向应力(100～1000kPa)下对岩石接缝试件进行的24次直接剪切试验结果。基于直接剪切试验结果，评估了在给定的正常荷载区间内莫尔-库仑破坏包络线和抗剪强度参数(表观黏聚力和摩擦角)，比较了表观黏聚力值与岩石节理力学性能的关系。本文的创新点在于：①采用3种不同的砂浆浇筑岩石节理模型试件(单轴抗压强度(UCS)范围为27～165MPa)；②以天然、粗糙、开放的岩石接缝为研究对象，而不是人工和完全互锁的齿状接缝；③比较了均匀接缝和复合接缝的抗剪性能和抗剪强度参数。

1 试验研究过程

1.1 试验设置

本研究侧重于接缝材料的力学性能对无粘结接缝情况下表观黏聚力的影响，因此每次试验所使用试件要保持相同水平的粗糙度。采用3种不同类型的砂浆，同一硅石模具中铸造24个试件(长10cm×宽10cm×高5cm)。图1描述了从初始花岗岩露头到准备试验试件的过程。硅模具(图1中的硅模具A)由具有自然粗糙度的初始花岗岩露头制成，再使用模具A来制造相对岩壁模具(图1中的硅模具B)。在这一步中，天然花岗岩接缝的两个岩壁都用硅模制成。然后使用模具A和B和给定的砂浆浇铸复制墙。浇铸后，对整个花岗岩接缝试件进行固化，以达到砂浆的最大抗压强度。固化完成后，试件即可用于直接剪切试验。

图1 从初始露头到最终准备试验试件的过程

为了模拟低、中、高强度材料的力学性能，所使用的3种砂浆表现出截然不同的力学性能。本文使用18个试件模拟均匀接缝，如岩石-岩石接缝(即试件墙具有相同的力学性能)；6个试件模拟复合接缝(一个低强度墙和一个高强度墙)，如坝基界面处的岩石-混凝土接缝。

1.2 粗糙度分析

为了获得花岗岩露头粗糙度的具体数据，使用非接触式轮廓仪对其进行扫描。然后将扫描得到的数据输入到专门设计的算法中，该算法通过几个二维统计参数将表面形态与接缝粗糙度系数(JRC)联系起来。非接触式轮廓仪装置和粗糙度算法计算步骤如下：

(1)扫描得到的原始数据文件以0.5mm的采样间隔进行网格划分(图2为扫描后花岗岩的数值重建)；

图2 花岗岩露头的数字化视图(箭头表示未来的剪切方向)

(2)在宽度为5mm的边缘周围，数据被搁置以避免可能的边缘效应(保留80%的初始表面)；

(3)平行于剪切方向生成160个轮廓(每个0.5mm)；

(4)对每个轮廓估计不同的统计粗糙度参数：粗糙度的平均倾角Ai，一阶导数Z2的均方根，粗糙度指数分布RP，最大轮廓高度差k；

(5)为便于解释这些参数，还提供了表面的JRC值，JRC由上述统计参数计算，采样间隔为0.5mm；

(6)然后将160个轮廓所得值取平均值，以描述整个表面粗糙度。表1列出了花岗岩露头的不同统计粗糙度参数值。花岗岩露头JRC值为15.2。

表1 花岗岩露头粗糙度统计参数值

1.3 砂浆特性

用于铸造试件的3种非收缩砂浆力学性能见表2。对于每种材料，制作了16个圆柱形样品(100mm×200mm)：6个用于确定UCS参数(单轴抗压强度)，3个用于确定杨氏模量E，3个用于确定基于劈裂拉伸试验的拉伸强度σt。其余4个样品被锯切并在平面上进行直接剪切试验，以获得基本摩擦角φB。

表2 砂浆材料力学性能

3种砂浆的力学性能不同。第一种砂浆(Ⅰ)接近于土木工程中使用的低强度材料，如粉砂岩或普通混凝土；第二种砂浆(Ⅱ)具有更高的力学性能值，类似于砂岩或大理石；第三种砂浆(Ⅲ)专门用于获得良好的力学性能，类似于花岗岩和片麻岩等结晶岩石。砂浆Ⅰ和Ⅱ是砂-水泥混合物，而砂浆Ⅲ是石英砂、水泥、硅灰、玻璃粉和水的混合物。用砂浆浇筑了24个复制品：18个用于再现岩石-岩石或混凝土-混凝土大坝接头的均匀接缝称为Ⅰ/Ⅰ(6)、Ⅱ/Ⅱ(6)和Ⅲ/Ⅲ(6)，6个用于再现大坝岩石-混凝土基础接触的复合接缝，称为Ⅰ/Ⅲ。将砂浆Ⅰ和Ⅱ样品放置在潮湿的房间28d；砂浆Ⅲ样品首先在90℃的水热固化中放置2d，然后再在潮湿的房间中放置26d。以相同方式处理用于评估砂浆力学性能的岩石接缝砂浆试件和圆柱形样品。

1.4 直接剪切试验装置

直接剪切试验采用了液压材料试验系统(MTS)和容量为3000kN的伺服控制压力机。如图3所示，接缝1是嵌入剪力箱3中的两个岩壁2之间的接触。剪切试验期间，下部剪切箱(左侧)向上移动，而另一个剪切箱(右侧)保持静止并固定在液压机框架上。通过液压千斤顶4水平施加法向载荷N，由测力传感器7记录，并由计算机控制以在整个试验期间保持恒定(恒定法向载荷(CNL)剪切试验)。剪切载荷T由液压千斤顶4垂直施加，并由另一个测力传感器6记录。辊道系统8允许整个机构垂直移动，而没有任何剩余旋转。此外，还使用安装在系统上的2个线性可变差动变压器(LVDT)记录法向和切向位移。

图3 用于直接剪切试验的实验装置视图

剪切试验在CNL条件下进行，法向应力设置为100、200、350、600、800、1000kPa，对应于大坝地基中观察到的法向应力。剪切速率设置为0.1mm/min，并在切向位移达到3mm后停止测试。记录试验过程中的时间、法向和切向位移、法向和剪切载荷。τ峰值是记录的最大抗剪强度，τ峰后值是针对从峰值位移到试验结束的切向位移确定的平均峰后值抗剪强度。

2 试验结果

2.1 直接剪切试验

图4显示了每个剪切试验的剪切应力τ与剪切位移ΔU的曲线。接缝试件具有相同的粗糙度，只有试件岩壁的材料不同。

图4 不同法向载荷所有接缝试件的抗剪强度—剪切位移曲线((a)100kPa；(b)200kPa；(c)350kPa；(d)600kPa；(e)800kPa；(f)1000kPa)

所有试件(均匀接缝Ⅰ/Ⅰ、Ⅱ/Ⅱ和Ⅲ/Ⅲ和复合接缝Ⅰ/Ⅲ)的剪切行为表现出相似性。剪切试验开始后，剪切应力迅速增加到最大值τ峰值。当达到接缝抗剪强度后，剪切应力会略微降低，直到剪切试验结束后达到峰后值τ峰后值。通过直接剪切试验得到的峰值和峰后值抗剪强度值见表3。

表3 与直接剪切试验相关的试验峰值和峰后值抗剪强度

由表3可知，法向载荷越高，接缝试件剪切应力越高。如在100～1000kPa法向载荷内，均匀接缝Ⅱ/Ⅱ的峰值抗剪强度范围为0.24～1.47MPa，峰后值抗剪强度范围为0.22～1.34MPa。图4显示了接缝材料强度对剪切性能的影响。对于均匀接缝(Ⅰ/Ⅰ、Ⅱ/Ⅱ和Ⅲ/Ⅲ)上进行的所有剪切试验，接缝材料强度对抗剪强度的影响很小。抗剪强度有一定的变化，但所有的抗剪强度值都在同一个数量级上。例如，在1000kPa下剪切试验得到的峰值和峰后值抗剪强度值，接缝Ⅰ/Ⅰ为1.45MPa，接缝Ⅱ/Ⅱ为1.47MPa，接缝Ⅲ/Ⅲ为1.48MPa；接缝Ⅰ/Ⅰ的峰后值为1.32MPa，接缝Ⅱ/Ⅱ为1.34MPa，接缝Ⅲ/Ⅲ为1.35MPa。此外，复合接缝(Ⅰ/Ⅲ)的剪切行为与均匀接缝Ⅰ/Ⅰ和Ⅲ/Ⅲ的剪切行为相似。复合接缝Ⅰ/Ⅲ的峰值和峰后值抗剪强度值与均匀接缝Ⅰ/Ⅰ和Ⅲ/Ⅲ的结果具有相同数量级。

结果也表明，抗剪强度可能会随砂浆力学性能的变化而略有增加。加之材料强度对剪切行为的影响可能与实验方案有关，因此，本研究中进行的直接剪切试验可能仅涉及滑动机制而非剪切机制，接缝粗糙周围没有断裂机制，只有滑动机制发生(剪切曲线上没有明显的峰值抗剪强度，剪切应力增加到准平台值)。这也就解释为什么复合接缝(Ⅰ/Ⅲ)的抗剪强度值与均匀接缝(Ⅰ/Ⅰ、Ⅱ/Ⅱ和Ⅲ/Ⅲ)的抗剪强度值相似。

2.2 莫尔-库仑失效包络：表观黏聚力和摩擦角值

对于每一个接缝，失效包络线是非常相似的。表观黏聚力估计值分别为70kPa(Ⅰ/Ⅰ)、109kPa(Ⅱ/Ⅱ)、103kPa(Ⅲ/Ⅲ)、112kPa(Ⅰ/Ⅲ)(见表4)。接缝Ⅰ/Ⅰ、Ⅱ/Ⅱ、Ⅲ/Ⅲ、Ⅰ/Ⅲ的摩擦角分别为51°、54°、53°、54°。莫尔-库仑失效包络和抗剪强度参数估值(表观黏聚力和摩擦角)在本研究中考虑的正常载荷区间(100～1000kPa)是有效的。

表4 获得的表观黏聚力和摩擦角值

研究表明，随着砂浆强度的增加，表观黏聚力可能会增加。表观黏聚力值范围为70～112kPa，随着砂浆强度的增加而逐渐增加(接缝Ⅰ/Ⅰ-Ⅲ/Ⅲ)。摩擦角也有类似的趋势，从51°逐渐增加到54°(接缝Ⅰ/Ⅰ-Ⅲ/Ⅲ)。这些表观黏聚力值和摩擦角适用于本研究中考虑的正常荷载区间(100～1000kPa)。在更大范围的法向应力范围内(从0到大于1000kPa)，预计会观察到非线性行为和拐点，这取决于接缝性能(粗糙度、材料力学性能等)。本研究中材料强度对表观黏聚力和摩擦角的影响相对较小，这可能也与上述实验方案有关。

3 结语

(1)对于均匀接缝，材料强度的较大变化会导致抗剪强度和性能(峰值和峰后值)的轻微变化。

(2)在直接剪切试验期间砂浆接触强度存在很大差异，但复合接缝的抗剪强度和性能与均匀接缝相当。

(3)在本文考虑的法向载荷区间下，接缝材料强度变化较大或接缝类型对表观黏聚力无显著影响，获得的表观黏聚力值有相同数量级。

(4)本文中材料强度或节理类型(均匀或复合)对剪切行为、剪切强度、表观黏聚力和摩擦角的有限影响可能是由于使用的低法向应力条件，类似于在重力坝设计中发现的情况。接下来的研究中可提高法向应力值来进一步研究。