接觸面傾角對干燥及飽和砂巖-混凝土組合體力學性能的影響

相 澤 王 偉 陳 超 裴亞兵 劉敬輝 郭 霞

(1.河海大學 土木與交通學院, 南京 210098;2.核工業湖州勘測規劃設計研究院股份有限公司, 浙江 湖州313000;3.長江生態環保集團有限公司, 武漢 430064)

混凝土與巖石的組合力學特性與單一介質有很大不同,其損傷變形規律較巖石或混凝土等單一介質復雜[1-3].在眾多工程實踐中,混凝土都建立在巖體之上,且大多建設在水環境中,例如在巖石上修建大壩和橋墩等,其穩定性會受到水及巖石混凝土組合形式的影響,因此研究水對不同組合形式下巖石混凝土組合體強度和變形特征的影響具有重要的工程意義.

此前,一些學者通過對一體兩介質試樣進行壓縮試驗,研究其力學特性等方面的變化規律,揭示一體兩介質的內在機理.易成等[4]通過軸向受壓一體兩介質的試驗,發現一體兩介質之間由于接觸面的黏結特性,組合體呈現出連續介質的特性,裂縫跨越接觸面發展.徐珂等[5]通過單軸壓縮荷載下受壓應力-應變全過程的試驗曲線,總結出一體和兩體模型的力學性能差異很大.項偉等[6]對干燥和飽水條件下的巖石-噴射混凝土組合體進行單軸壓縮試驗,得到飽水試樣組合體比干燥試樣組合體的抗壓強度和彈性模量都有所降低.郭東明等[7]通過對不同傾角的煤巖組合體進行單軸壓縮試驗,指出組合體的破壞形式由0°時的剪切破壞為主逐漸變為45°沿接觸面的整體滑移失穩破壞.Sel?uk等[8]通過單軸壓縮試驗研究了界面傾角對巖石-混凝土復合試件的強度和破壞模式影響規律.部分學者對一體兩介質進行了其它試驗研究[9-10],分析了一體兩介質在巖石混凝土接觸面處的剪切力學特性.此外,一些學者利用數值分析手段對組合體進行模擬計算,高歡等[11]運用巖石破裂與失穩過程分析RFPA 系統再現組合體的破壞全過程.

綜上所述,目前關于巖石混凝土一體兩介質的研究,多為以單一傾角下不同含水狀態或單一含水狀態下變傾角的研究,而對不同含水狀態下變傾角組合體的研究較少.因此,本文通過開展干燥和飽和狀態下不同接觸面傾角砂巖-混凝土組合體的單軸壓縮試驗,研究不同傾角組合體與單獨介質的強度和變形特性差異,為在地質體上修建的工程體巖體力學性能的研究提供借鑒和參考.

1 試驗材料和方案

1.1 試樣制備

試驗所用砂巖取自四川某工程現場的青砂巖,呈青灰色,天然密度約為2.41 g/cm3.根據文獻[12]配制混凝土,配合比見表1.

表1 混凝土材料配合比

本文所使用混凝土由強度等級為52.5普通硅酸鹽水泥、普通細砂、自來水、硅灰和聚羧酸高效減水劑組成.試樣制作步驟:①將巖塊加工成直徑50 mm,高度100 mm 的標準圓柱砂巖試樣,切割制備好不同角度的砂巖試樣半體;②將傾角為0°、30°、45°、60°、90°的5組砂巖試樣半體放入定制模具內,再將混凝土直接澆筑在砂巖表面,并振搗密實;③待砂巖-混凝土組合體澆筑完成24 h后,拆模,取出試樣;④在標準條件下養護28 d后將試樣切割加工成標準圓柱試樣.

1.2 試驗方案

根據不同工程實際情況,研究水對砂巖-混凝土組合體力學性能的影響,分別將混凝土與砂巖試樣按0°、30°、45°、60°和90°共5個傾角組合,在干燥和飽和兩種狀態下各制作5組試件,開展不同傾角砂巖-混凝土組合體的單軸壓縮試驗,用于模擬不同工程環境的巖石混凝土組合體受壓情況.

首先對組合體試樣進行飽水處理,使用真空泵對組合體試樣進行20 min的干抽后,加入蒸餾水進行4 h以上的濕抽,并浸泡4 h,使組合體試樣處于充分飽水狀態.浸泡結束后,對干燥和飽和狀態下的砂巖-混凝土組合體進行不同傾角下的單軸壓縮試驗.試驗在河海大學巖土力學及堤壩工程教育部重點實驗室巖石力學多場耦合試驗儀[13]上進行,采用應力加載的方式施加軸向壓力,加載速率為1 MPa/min.

2 砂巖-混凝土組合體單軸壓縮試驗

2.1 單軸應力-應變曲線

對試樣進行單軸壓縮試驗,得到干燥和飽和狀態下不同傾角組合體試樣的軸向應力-應變曲線,如圖1所示.

圖1 單軸壓縮下砂巖-混凝土組合體的軸向應力-應變曲線

由圖1(a)可以看出,干燥狀態下砂巖的壓密階段最明顯,混凝土的壓密階段最不明顯.這表明砂巖內部含有較多的初始孔隙,而混凝土均勻性較好,內部孔隙較少,壓密效果不明顯.但相較混凝土,砂巖呈現出較高的強度.0°與90°傾角組合體的壓密階段相似,0°傾角試樣的壓密略大于90°傾角,這與試樣傾角與加載面的位置相關.

由圖1(b)可以看出,飽和狀態下各試樣的軸向應力-應變曲線比較離散,相較干燥狀態下的組合體,飽和狀態下各試樣均呈現出更為明顯的壓密階段,飽和砂巖壓密階段最為明顯,說明水使砂巖延性大大提高,強度降低明顯.由于混凝土均質性較好,飽和狀態下混凝土的力學參數相比砂巖與干燥條件下相差不大[14],混凝土加強了飽和狀態下組合體的強度,因而組合體的壓密效果表現不明顯.

2.2 強度特性

干燥和飽和狀態下不同傾角砂巖-混凝土組合體峰值強度對比如圖2所示.

圖2 單軸壓縮下砂巖-混凝土組合體的峰值強度

由圖2可知,組合體強度隨接觸面傾角的變化而呈現各向異性.在干燥狀態下,30°組合體的強度介于混凝土和砂巖之間,且更加接近于低強度的混凝土材料,與文獻[15]結論一致.飽和狀態下試樣在遇水軟化后強度均有一定下降,其中砂巖和60°組合體峰值強度下降明顯,下降率分別為41.66%和18.74%,這表明水的存在使巖石內部孔隙水壓力變大,固體顆粒所承擔的有效應力減小,水對砂巖起到了明顯的劣化作用,在水的作用下大傾角組合體的界面效應更加明顯.無論是干燥還是飽和狀態,組合體峰值強度均隨傾角的增大呈現出先增大后減小再增大的趨勢,且均在傾角為30°和60°時,峰值強度分別達到最大值和最小值,其原因可能是小傾角接觸面對組合體起到了加強作用,而60°的界面對組合體的破壞影響較大,水更加弱化大傾角接觸面的黏結強度,導致組合體體系的失效,故應特別注意防止此條件下大傾角工程發生失穩現象.

2.3 變形特性

干燥和飽和狀態下不同傾角砂巖-混凝土組合體彈性模量和峰值應變對比如圖3所示.

圖3 單軸壓縮下砂巖-混凝土組合體的彈性模量和峰值應變

由圖3(a)可知,干燥狀態下砂巖的彈性模量最高,60°組合體彈性模量最低,混凝土和其余傾角組合體試樣的彈性模量處于中間狀態,且相差不大.在飽和狀態下,砂巖-混凝土組合體的彈性模量均大于砂巖的彈性模量,這是因為混凝土均質性較砂巖好,水對混凝土的弱化程度較低,飽水狀態下混凝土加強了組合體試樣的整體性能.由圖3(b)可知,干燥狀態下45°組合體峰值應變最大,90°組合體峰值應變最小,當傾角在0°～60°變化時,組合體的峰值應變先增大后減小,說明在達到接觸面承載極限之前,較小角度的接觸面加強了組合體整體的延性,當接觸面增大到60°的時候,接觸面達到其承載極限并發生滑移破壞,峰值應變陡然下降.飽和狀態下組合體峰值應變均小于干燥狀態下,曲線近似成W 型分布,30°組合體峰值應變達最低值,0°和90°組合體為最高值,這是由于軸向荷載作用下水對0°和90°傾角的組合體影響程度最小,能夠承受較長時間的變形而不破壞.

秦明月馬上掏出手機打電話給站前所的周所長，周所長答應一聲表示馬上派人協助來查。在等周所長的幾分鐘里，他繼續問值班員，但是值班員的回答同寄存處人員的回答差不多，這兒大約是車流量最大的停車場了，每天進出的車量高達數千，他們不可能記得4天前哪一輛車可疑。

對比峰值強度、彈性模量和峰值應變圖可發現,三者具有良好的對應關系,飽和狀態下試樣峰值強度和峰值應變均低于干燥狀態,飽和狀態下試樣彈性模量高于干燥狀態.這是因為飽和狀態下試樣在水的軟化及傾角的雙重作用下,組合體整體較早發生破壞,導致較低的峰值應變,從而呈現出較低的峰值強度.

2.4 破壞形式

不同傾角組合體試樣在干燥和飽和狀態下破壞形式有一定的差異,單軸壓縮試驗后試樣的破壞照片和素描圖如圖4～5所示.

由圖4可知,干燥狀態下砂巖的破壞形式為X狀共軛斜面剪切破壞,60°組合體出現整體滑移裂紋,其余組合體試樣都為整體張拉破壞,出現幾條豎向張拉宏觀裂紋,說明干燥狀態下混凝土和砂巖接觸面具有一定的膠結強度,宏觀裂縫貫穿砂巖和混凝土的接觸面,最后試件共同破壞,是一種典型的一體兩介質組合體.從圖中還可以看出在混凝土部分較易出現較多的劈裂現象,這主要與混凝土的彈性模量小于砂巖的彈性模量有關,其更容易達到極限破壞強度.

由圖5可知,飽和狀態下砂巖、0°和30°砂巖-混凝土組合體的破壞形式依然為張拉破壞,但是其劈裂裂紋數量少于干燥狀態下,從細觀角度分析,是因為水的潤滑及軟化作用,軟化后的材料出現偏塑性破壞.45°組合體開始在接觸面處出現滑移裂紋,而60°組合體也出現整體滑移失穩,這由組合體剪切力和摩擦力的關系決定,當接觸面傾角大于組合體內摩擦角時,接觸面上的剪應力大于摩擦力,此時組合體沿接觸面發生剪切滑移破壞,同時水的潤滑作用使大傾角裂隙間的摩擦力降低,易使更大的傾角試樣發生破壞.從該組合體破壞的塊體來看,混凝土與砂巖部分都未出現裂紋,這也說明了水對大傾角砂巖混凝土組合體接觸面的破壞起到了滑移作用.

圖5 飽和狀態下組合體試樣的單軸破壞照片和素描圖

兩種狀態下90°組合體具有和0°組合體相似的破壞特征,這是因為組合體剪切破壞面大致與0°和90°兩種傾角都形成45°左右的夾角,所以兩種傾角下組合體更容易形成一致的破壞形式.相比60°傾角,當傾角接近90°時,加載系統對試樣兩端的約束作用增強,組合體破壞由接觸面、強度較低的混凝土和加載系統三者決定,破裂面在接觸面和混凝土基質內部產生.

3 組合體軸向裂紋演化特征

3.1 軸向裂紋演化分析

裂紋的閉合、起裂、擴展是巖石發生破壞的重要原因,軸向裂紋應變是指外部荷載所引起巖石內部的原生裂紋起裂、擴展以及新裂縫產生導致的巖石軸向變形的變化.為了研究砂巖-混凝土組合體的界面及裂紋演化規律,軸向裂紋應變可以用來定量分析組合體內部的裂紋大小.為了定量研究巖石加載過程中的裂紋演化規律,Martin[16]提出了一種計算軸向裂紋應變的方法,見式(1):

根據試驗結果數據可以計算繪制得到軸向應力-軸向裂紋應變曲線圖,對比分析不同試樣軸向裂紋的演化趨勢,如圖6所示.

圖6 組合體的軸向裂紋應變與軸向應力關系

裂紋閉合壓密階段終點對應的軸向應力為最大裂紋閉合應力,對應的軸向裂紋應變為最大裂紋閉合應變.根據圖6曲線變化形式,繪制單軸壓縮下不同試樣的最大裂紋閉合應力和應變分別隨與傾角的關系,如圖7所示.

圖7 組合體的最大裂紋閉合應力和應變與傾角的關系

由圖7可知,在干燥和飽和狀態下,隨著組合體傾角的增大,其最大裂紋閉合應力也都呈現出先增大后減小再增大的趨勢,組合體的最大裂紋應變都低于砂巖的最大裂紋應變,說明砂巖飽和前后的壓密程度均大于組合體的壓密程度,與前面所得結果相一致.

3.2 軸向裂紋閉合應變演化方程驗證

左建平推導出的軸向裂紋閉合應變演化方程[17],見式(2):

式中:εcm1為最大裂紋閉合應變;σ1為軸向應力;Ecc為壓密階段微裂紋和接觸面的等效彈性模量;εcc1為軸向裂紋閉合應變.

對干燥和飽和狀態下試樣裂紋閉合壓密階段的曲線進行擬合,如圖8所示.

圖8 組合體的軸向應力-裂紋閉合應變擬合曲線

將干燥和飽和狀態下試樣的擬合結果統計到一張表中,并和圖7(b)中的最大裂紋閉合應變進行對比,見表2.

表2 兩種狀態下組合體軸向裂紋閉合應變演化擬合方程

由圖8和表2可知,軸向裂紋閉合應變演化方程能夠較好地描述組合體壓密過程中微裂紋和接觸面的裂紋演化過程,擬合系數R2均大于0.94,擬合效果良好.對比最大裂紋閉合應變的試驗值和擬合值,可以發現,干燥和飽和狀態下兩者的差距很小,以干燥狀態下30°組合體為例,最大裂紋閉合應變的擬合值僅比試驗值大0.97%,由此看出軸向裂紋閉合應變演化方程的擬合效果較好,驗證了軸向裂紋閉合應變演化方程的正確性.

4 結 論

本文以砂巖-混凝土組合體為研究對象,開展干燥與飽和狀態下不同傾角組合體的單軸壓縮試驗,主要結論如下:

1)飽和狀態下試樣的應力-應變曲線相較干燥狀態離散,呈現更明顯的壓密現象;兩種狀態下組合體的峰值強度均隨著傾角的增大先增大后減小再增大,且分別在傾角為30°和60°時取得最大值和最小值,最大強度值由砂巖和混凝土的峰值強度共同決定,最小強度值由大傾角接觸面的抗剪強度控制.

2)水對組合體變形特性具有一定影響,飽和狀態下不同傾角組合體彈性模量整體略高于干燥狀態,而峰值應變小于干燥狀態,曲線近似成W 型分布,與峰值強度的變化規律呈現良好的對應關系.

3)除60°組合體出現整體滑移裂紋外,其余試樣多為整體張拉破壞,飽水狀態下劈裂裂紋數量少于干燥狀態;小傾角組合體破壞的宏觀裂縫能夠貫穿砂巖和混凝土的接觸面,而60°組合體破壞主要發生在砂巖和混凝土接觸面,因此,不同傾角組合體變形破壞機制存在本質差異.

4)依據裂紋變化形態劃分的4個階段能較好地描述巖石壓縮過程中裂紋的壓密、閉合、擴展與貫通;軸向裂紋閉合應變演化方程能夠較好地描述組合體壓密過程中微裂紋和接觸面的裂紋演化過程,擬合系數R2均大于0.94,擬合效果良好.