炭質巖與砂漿粘結強度試驗研究

2023-03-17 06:57:47黃彬華莫鵬駱俊暉

西部交通科技 2023年11期

黃彬華　莫鵬　駱俊暉

摘要：為研究炭質巖與砂漿接觸面力學特性，文章選用5種炭質巖（BS、LZ-1、LZ-2、ND、ZL）與3種強度砂漿（M25、M30、M35），開展漿體與炭質巖的界面力學性質試驗，分析同一強度砂漿與不同炭質巖錨固段剪切曲線特性、不同養護時間的砂漿與炭質巖錨固段抗剪特性。結果表明：隨著炭質巖與砂漿界面粘聚力的減小，內摩擦角逐漸增大；砂漿強度的增加使得炭質巖與砂漿的剪切強度增加，但砂漿M30變為砂漿M35對其增幅影響較??；不同養護時間的砂漿與炭質巖錨固段抗剪特性具有一定的規律，可取樣質巖膠結面的力學特性較好，在工程中推薦使用M30砂漿。

關鍵詞：炭質巖；砂漿；剪切試驗

0引言

炭質巖是一類對環境敏感，易風化、碎裂、崩解、軟化，工程性質隨環境變化較大的特殊性巖石，對工程建設影響較大［1］，因此亟須對炭質巖邊坡的防護進行研究，為炭質巖邊坡災害防治提供依據。錨固支護技術依靠其經濟性、有效性被廣泛地應用于生產實際中，但其技術細節多、設計參數多、施工過程中要求高。目前相關的研究主要集中在漿體-桿體界面力學特性，但是漿體-巖土體界面力學作用同樣十分重要。

張發明等［2］提出巖體與錨固體間粘結強度的確定是其十分重要的環節。查文華等［3］提出第一界面與第二界面的概念。羅瑞翔［4］提出可通過研究錨固界面剪應力來研究錨固機理。楊天鴻等［5］通過炭質巖的直剪流變實驗，研究表明炭質泥巖夾層的法應力和剪應力存在線性關系，并建立了相關的流變力學模型，該模型可為邊坡變形分析和滑坡中長期預報提供可靠的依據。林偉平等［6］提出影響混凝土與基巖界面抗剪強度的主因有粗糙度。陳記等［7］提出基巖的強度和所施加的正應力大小也是影響界面抗剪強度的主因。徐景茂等［8］得出巖體的強度越高，錨固體與巖石界面極限抗剪力越低的結論。

炭質巖與砂漿接觸面力學特性的研究是炭質巖與砂漿間的相互作用問題中的關鍵所在，本文針對5種炭質巖石，設計炭質巖與3種不同強度的砂漿膠結面直剪試驗，以探究不同炭質巖與不同砂漿膠結面的力學特性，為工程施工提供參考。

1 試驗儀器

本次試驗采用RMT-150C多功能巖石試驗系統，本試驗系統是武漢巖土所自行研制的數字控制式電液伺服試驗機，可用于巖石與混凝土的單軸壓縮、單軸間接拉伸、三軸壓縮和剪切等力學試驗，主要參數見表1。

2 試驗方案

2.1 試驗材料與試件

本次試驗材料有42.5級通用硅酸鹽水泥、普通河砂、水。水泥與河砂、水按照一定的比例配置成不同強度等級的砂漿，本次試驗的砂漿強度為M25、M30和M35。其中，M25級砂漿配合比為1∶3.54∶0.8，M30級砂漿配合比為1∶1.38∶0.43，M35級砂漿配合比為1∶0.49∶0.48。最后制成試件尺寸為邊長100 mm的正方體進行炭質巖與砂漿粘結強度試驗。

2.2 試驗方案

本試驗選用5種炭質巖（BS、LZ-1、LZ-2、ND、ZL）、3種強度砂漿（M25、M30、M35），若研究每種炭質巖與3種強度砂漿的粘結強度試驗，則共有15種炭質巖與砂漿交界面組合方式，若每組試驗做4個平行試驗，需要做60個立方體試件，則可開展不同炭質巖與不同砂漿強度的膠結面直剪試驗。每種砂漿也分別制作4個純砂漿的立方塊進行直剪試驗，則總共需要制作72個試件。膠結面的砂漿在標準養護條件下，養護時間分為7 d和28 d，每次養護試塊數量為72個。

2.3 試樣制備

對炭質巖這樣極易風化水解的巖石來說，膠結面直剪試驗切割時更易受到水與機器震動干擾，從而嚴重破壞巖樣的整體性和強度。普通的試樣制備方法太難實現試件切割而不破壞試件完整性這一操作，所以需要探究新的試樣制備方法。針對這一問題，我們采用如下方法：

（1）首先將外接圓直徑≤100 mm、橫截面積足夠大的炭質巖試塊放入塑料模具中央，澆筑砂漿，形成100 mm×100 mm×100 mm的立方體塊。

（2）養護成型后，再用切割機從立方體切割線處切開，形成內含巖石截面的切割面，此時的切割面既包含巖石又包含砂漿。

（3）將切割完后的一半試塊從模具里取出，把適當厚度的橡皮泥貼在另一半切割試件的有砂漿存在的切割面。

（4）將粘貼有橡皮泥的半塊立方體試件放入試模中，向試模中澆筑不同強度等級的砂漿，可以得到不同巖樣與不同砂漿強度等級的剪切面，最后在標準養護條件下養護成型，則可得到不同砂漿強度與不同巖樣的膠結面直剪試樣。直剪試驗試樣制作的具體過程如圖1所示。

3 結果分析

3.1 同一強度砂漿與不同炭質巖錨固段抗剪特性

為研究同一強度砂漿與不同炭質巖錨固段剪切曲線特性，對3種砂漿與5種巖石的膠結面分別做養護時間為28 d的直剪試驗，研究所施加的正應力與剪切力關系，試驗結果如圖2～4所示。

由圖2～4可以看出，界面正應力與抗剪強度存在一定的線性關系。界面抗剪強度可用摩爾庫倫強度理論表達，見式（1）。其中，5種巖樣與3種強度砂漿的粘聚力c和內摩擦角φ如表2所示。

當法向應力在0～6 MPa時，炭質巖與砂漿錨固段的抗剪強度與法向應力存在較好的線性關系，不同巖樣與砂漿的抗剪強度參數見表2。

從表2中各巖樣與M25砂漿的剪切強度參數可以得知，粘聚力c值大小為：ZL＞BS＞LZ1＞ND＞LZ2，內摩擦角φ大小為：ZL＜BS＜LZ1＜LZ2＜ND。ZL巖樣與M25砂漿的膠結面抗剪強度參數c值最大，相應的內摩擦角φ的數值最小，ND巖樣與ZL巖樣則呈相反規律，其他3種炭質巖與M25砂漿膠結面處的c值和φ值相差較小，數據較集中。從圖2可以看出，ND巖樣的正應力與剪應力之間的線性相關性很好，相關系數高達0.928。當正應力在1～3.6 MPa時，M25強度的砂漿與各巖樣錨固段抗剪強度大小為：ZL＞BS＞ND＞LZ1＞LZ2；當正應力＞3.6 MPa時，巖樣ND與巖樣LZ1隨正應力的增加，剪應力變化較快。

從表2中各巖樣與M30砂漿的剪切強度參數可以得知，粘聚力c值大小為：LZ2＞ZL＞ND＞BS＞LZ1，內摩擦角φ大小為LZ2＜LZ1＜ND＜ZL＜BS＜LZ2。巖樣LZ2與M30砂漿的膠結面抗剪強度參數c值最大，相應的內摩擦角φ的數值最小。從圖3可以看出，當正應力＜2.14 MPa時，M30強度的砂漿與各巖樣錨固段抗剪強度大小為：LZ2＞ZL＞BS＞ND＞LZ1，當正應力＞2.14 MPa時，M30強度的砂漿與各巖樣錨固段抗剪強度大小為：BS＞ZL＞LZ2＞ND＞LZ1，巖樣ND、巖樣LZ1與M30砂漿的剪切強度最差。LZ2巖樣、ND巖樣、BS巖樣、LZ1巖樣與M30砂漿的正應力與剪應力之間的線性相關性很好，相關系數＞0.9，因此可以通過室內試驗很好地模擬這四種巖樣與M30砂漿之間正應力與剪切應力的關系。

從表2中各巖樣與M35砂漿的剪切強度參數可以得知，粘聚力c值大小為：ZL＞LZ2＞ND＞LZ1＞BS，內摩擦角φ大小為ZL＜ND＜LZ2＜LZ1＜BS。ZL巖樣與M35砂漿的膠結面抗剪強度參數c值最大，相應的內摩擦角φ的數值最小，BS巖樣則與ZL巖樣呈相反規律。從圖4可以得出，當正應力2.2～5.4 MPa時，M30強度的砂漿與各巖樣錨固段抗剪強度大小為：LZ2＞ZL＞ND＞LZ1。BS巖樣的正應力與剪應力之間的線性相關性很好，相關系數高達0.994，且正應力在1.2～2.2 MPa時，其剪應力變化較快。

從表2中可以得出隨各巖樣與砂漿界面粘聚力的減小，內摩擦角逐漸增大的規律。M30砂漿內摩擦角最大，但與不同巖樣的粘聚性較小，因此在進行邊坡錨桿加固時，需要綜合考慮c值與φ值，得出砂漿與巖樣的剪切應力最大值。從圖2～4可以看出，砂漿強度的增加使得各巖樣與砂漿的剪切強度增加，但砂漿M30變為砂漿M35對其增幅影響較小。M30砂漿與各巖樣的正應力與剪應力線性相關性好，可為室內模擬試驗做理論基礎。綜上所述，從經濟性與耐久性綜合考慮，M30砂漿與不同炭質巖膠結面的力學特性較好，因此推薦使用M30砂漿對不同種類巖石邊坡進行錨固。

3.2 不同養護時間的砂漿與炭質巖錨固段抗剪特性

為防止砂漿水化反應不充分而導致水泥砂漿強度不足、產生裂縫及耐久性差等問題，在標準養護條件下也需保持足夠的養護時間。為探究不同養護時間下砂漿與炭質巖錨固段膠結面的抗剪特性，對錨固段進行不同養護時間試驗。

如表3所示給出了不同養護時間砂漿與炭質巖錨固段在不同法向應力作用下的抗剪強度參數。

從表3可以看出，各巖樣與3種砂漿抗剪參數c值隨齡期的變化規律：BS巖樣、LZ1巖樣、ND巖樣與砂漿M25或砂漿M30的抗剪參數c值隨齡期的增加而增加，而LZ2巖樣、ZL巖樣的抗剪參數c值則呈相反趨勢變化。砂漿M35與各巖樣的抗剪參數c值隨齡期的增加反而顯著減小，因此考慮采用M35砂漿進行錨固時，養護時間可適當縮短。

從表3可以看出，各巖樣與3種砂漿膠結面的內摩擦角φ值隨齡期的變化規律。各巖樣與砂漿M25膠結面的內摩擦角φ值變化規律：BS巖樣、LZ2巖樣與砂漿M25膠結面的內摩擦角φ值隨齡期的增加而增加，而ND巖樣與砂漿M25膠結面的內摩擦角φ值則呈相反趨勢變化，因此考慮巖石為ND時，采用M25砂漿進行錨固的養護時間可適當縮短。ZL巖樣、LZ1巖樣與砂漿M25膠結面的內摩擦角φ值隨齡期的增加，其變化趨勢較小。各巖樣與砂漿M30膠結面的內摩擦角φ值變化規律：BS巖樣、ND巖樣、ZL巖樣與砂漿M30膠結面的內摩擦角φ值隨齡期的增加而減小，其余兩種巖樣與砂漿M30膠結面的內摩擦角φ值受齡期影響較小，因此考慮采用M30砂漿進行錨固的養護時間可減少到7 d。各巖樣與砂漿M35膠結面的內摩擦角φ值變化規律：ND巖樣、LZ1巖樣、ZL巖樣與砂漿M35膠結面的內摩擦角φ值隨齡期的增加而增加，而ND巖樣與砂漿M25膠結面的內摩擦角φ值則呈相反趨勢變化。LZ2巖樣與砂漿M35膠結面的內摩擦角φ值受齡期影響較小，因此考慮巖石為ND與LZ2時，采用M35砂漿進行錨固的養護時間可適當縮短。

通過以上分析可以得出，不同養護時間的砂漿與炭質巖錨固段抗剪特性具有一定的規律，可先取樣后選取錨固所需砂漿，根據上述規律得出砂漿與錨固段的養護時間，以此降低經濟成本，增強抗剪強度。若使抗剪參數c值與膠結面的內摩擦角φ值綜合較大，優先使用M30砂漿進行錨固。

4 結語

本文通過一系列炭質巖與砂漿粘結強度試驗，得出以下結論：

（1）隨著炭質巖與砂漿界面粘聚力的減小，內摩擦角逐漸增大。

（2）[JP+3]砂漿強度的增加使得炭質巖與砂漿的剪切強度增加，但砂漿M30變為砂漿M35對其增幅影響較小。

（3）不同養護時間的砂漿與炭質巖錨固段抗剪特性具有一定的規律，可取樣選取適宜的錨固砂漿后確定養護時間。

（4）從經濟性與耐久性綜合考慮，M30砂漿與不同炭質巖膠結面的力學特性較好，因此推薦使用M30砂漿。

參考文獻：

［1］劉賽豪.地震荷載作用下炭質頁巖邊坡穩定性分析［D］.長沙：長沙理工大學，2018.

［2］張發明，陳祖煜，劉寧.巖體與錨固體間粘結強度的確定［J］.巖土力學，2001（4）：470-473.

［3］查文華，王京九，華心祝，等.錨桿錨固性能及界面力學特性研究綜述［J］.人民長江，2021，52（11）：161-168.

［4］羅瑞翔.地震作用下平頂山膨脹土邊坡錨固界面剪切作用研究［D］.淮南：安徽理工大學，2020.