炭質(zhì)巖與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)研究

黃彬華　莫鵬　駱俊暉

摘要：為研究炭質(zhì)巖與砂漿接觸面力學(xué)特性，文章選用5種炭質(zhì)巖（BS、LZ-1、LZ-2、ND、ZL）與3種強(qiáng)度砂漿（M25、M30、M35），開展?jié){體與炭質(zhì)巖的界面力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，分析同一強(qiáng)度砂漿與不同炭質(zhì)巖錨固段剪切曲線特性、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的砂漿與炭質(zhì)巖錨固段抗剪特性。結(jié)果表明：隨著炭質(zhì)巖與砂漿界面粘聚力的減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大；砂漿強(qiáng)度的增加使得炭質(zhì)巖與砂漿的剪切強(qiáng)度增加，但砂漿M30變?yōu)樯皾{M35對(duì)其增幅影響較小；不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的砂漿與炭質(zhì)巖錨固段抗剪特性具有一定的規(guī)律，可取樣質(zhì)巖膠結(jié)面的力學(xué)特性較好，在工程中推薦使用M30砂漿。

關(guān)鍵詞：炭質(zhì)巖；砂漿；剪切試驗(yàn)

0引言

炭質(zhì)巖是一類對(duì)環(huán)境敏感，易風(fēng)化、碎裂、崩解、軟化，工程性質(zhì)隨環(huán)境變化較大的特殊性巖石，對(duì)工程建設(shè)影響較大［1］，因此亟須對(duì)炭質(zhì)巖邊坡的防護(hù)進(jìn)行研究，為炭質(zhì)巖邊坡災(zāi)害防治提供依據(jù)。錨固支護(hù)技術(shù)依靠其經(jīng)濟(jì)性、有效性被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中，但其技術(shù)細(xì)節(jié)多、設(shè)計(jì)參數(shù)多、施工過程中要求高。目前相關(guān)的研究主要集中在漿體-桿體界面力學(xué)特性，但是漿體-巖土體界面力學(xué)作用同樣十分重要。

張發(fā)明等［2］提出巖體與錨固體間粘結(jié)強(qiáng)度的確定是其十分重要的環(huán)節(jié)。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(yīng)力來研究錨固機(jī)理。楊天鴻等［5］通過炭質(zhì)巖的直剪流變實(shí)驗(yàn)，研究表明炭質(zhì)泥巖夾層的法應(yīng)力和剪應(yīng)力存在線性關(guān)系，并建立了相關(guān)的流變力學(xué)模型，該模型可為邊坡變形分析和滑坡中長期預(yù)報(bào)提供可靠的依據(jù)。林偉平等［6］提出影響混凝土與基巖界面抗剪強(qiáng)度的主因有粗糙度。陳記等［7］提出基巖的強(qiáng)度和所施加的正應(yīng)力大小也是影響界面抗剪強(qiáng)度的主因。徐景茂等［8］得出巖體的強(qiáng)度越高，錨固體與巖石界面極限抗剪力越低的結(jié)論。

炭質(zhì)巖與砂漿接觸面力學(xué)特性的研究是炭質(zhì)巖與砂漿間的相互作用問題中的關(guān)鍵所在，本文針對(duì)5種炭質(zhì)巖石，設(shè)計(jì)炭質(zhì)巖與3種不同強(qiáng)度的砂漿膠結(jié)面直剪試驗(yàn)，以探究不同炭質(zhì)巖與不同砂漿膠結(jié)面的力學(xué)特性，為工程施工提供參考。

1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)采用RMT-150C多功能巖石試驗(yàn)系統(tǒng)，本試驗(yàn)系統(tǒng)是武漢巖土所自行研制的數(shù)字控制式電液伺服試驗(yàn)機(jī)，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(xué)試驗(yàn)，主要參數(shù)見表1。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料與試件

本次試驗(yàn)材料有42.5級(jí)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(qiáng)度等級(jí)的砂漿，本次試驗(yàn)的砂漿強(qiáng)度為M25、M30和M35。其中，M25級(jí)砂漿配合比為1∶3.54∶0.8，M30級(jí)砂漿配合比為1∶1.38∶0.43，M35級(jí)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(jìn)行炭質(zhì)巖與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選用5種炭質(zhì)巖（BS、LZ-1、LZ-2、ND、ZL）、3種強(qiáng)度砂漿（M25、M30、M35），若研究每種炭質(zhì)巖與3種強(qiáng)度砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，則共有15種炭質(zhì)巖與砂漿交界面組合方式，若每組試驗(yàn)做4個(gè)平行試驗(yàn)，需要做60個(gè)立方體試件，則可開展不同炭質(zhì)巖與不同砂漿強(qiáng)度的膠結(jié)面直剪試驗(yàn)。每種砂漿也分別制作4個(gè)純砂漿的立方塊進(jìn)行直剪試驗(yàn)，則總共需要制作72個(gè)試件。膠結(jié)面的砂漿在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分為7 d和28 d，每次養(yǎng)護(hù)試塊數(shù)量為72個(gè)。

2.3 試樣制備

對(duì)炭質(zhì)巖這樣極易風(fēng)化水解的巖石來說，膠結(jié)面直剪試驗(yàn)切割時(shí)更易受到水與機(jī)器震動(dòng)干擾，從而嚴(yán)重破壞巖樣的整體性和強(qiáng)度。普通的試樣制備方法太難實(shí)現(xiàn)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(duì)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(zhì)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(yǎng)護(hù)成型后，再用切割機(jī)從立方體切割線處切開，形成內(nèi)含巖石截面的切割面，此時(shí)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(dāng)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(qiáng)度等級(jí)的砂漿，可以得到不同巖樣與不同砂漿強(qiáng)度等級(jí)的剪切面，最后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)成型，則可得到不同砂漿強(qiáng)度與不同巖樣的膠結(jié)面直剪試樣。直剪試驗(yàn)試樣制作的具體過程如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 同一強(qiáng)度砂漿與不同炭質(zhì)巖錨固段抗剪特性

為研究同一強(qiáng)度砂漿與不同炭質(zhì)巖錨固段剪切曲線特性，對(duì)3種砂漿與5種巖石的膠結(jié)面分別做養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d的直剪試驗(yàn)，研究所施加的正應(yīng)力與剪切力關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～4所示。

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

當(dāng)法向應(yīng)力在0～6 MPa時(shí)，炭質(zhì)巖與砂漿錨固段的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力存在較好的線性關(guān)系，不同巖樣與砂漿的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表2。

從表2中各巖樣與M25砂漿的剪切強(qiáng)度參數(shù)可以得知，粘聚力c值大小為：ZL＞BS＞LZ1＞ND＞LZ2，內(nèi)摩擦角φ大小為：ZL＜BS＜LZ1＜LZ2＜ND。ZL巖樣與M25砂漿的膠結(jié)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)c值最大，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ的數(shù)值最小，ND巖樣與ZL巖樣則呈相反規(guī)律，其他3種炭質(zhì)巖與M25砂漿膠結(jié)面處的c值和φ值相差較小，數(shù)據(jù)較集中。從圖2可以看出，ND巖樣的正應(yīng)力與剪應(yīng)力之間的線性相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.928。當(dāng)正應(yīng)力在1～3.6 MPa時(shí)，M25強(qiáng)度的砂漿與各巖樣錨固段抗剪強(qiáng)度大小為：ZL＞BS＞ND＞LZ1＞LZ2；當(dāng)正應(yīng)力＞3.6 MPa時(shí)，巖樣ND與巖樣LZ1隨正應(yīng)力的增加，剪應(yīng)力變化較快。

從表2中各巖樣與M30砂漿的剪切強(qiáng)度參數(shù)可以得知，粘聚力c值大小為：LZ2＞ZL＞ND＞BS＞LZ1，內(nèi)摩擦角φ大小為LZ2＜LZ1＜ND＜ZL＜BS＜LZ2。巖樣LZ2與M30砂漿的膠結(jié)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)c值最大，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ的數(shù)值最小。從圖3可以看出，當(dāng)正應(yīng)力＜2.14 MPa時(shí)，M30強(qiáng)度的砂漿與各巖樣錨固段抗剪強(qiáng)度大小為：LZ2＞ZL＞BS＞ND＞LZ1，當(dāng)正應(yīng)力＞2.14 MPa時(shí)，M30強(qiáng)度的砂漿與各巖樣錨固段抗剪強(qiáng)度大小為：BS＞ZL＞LZ2＞ND＞LZ1，巖樣ND、巖樣LZ1與M30砂漿的剪切強(qiáng)度最差。LZ2巖樣、ND巖樣、BS巖樣、LZ1巖樣與M30砂漿的正應(yīng)力與剪應(yīng)力之間的線性相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)＞0.9，因此可以通過室內(nèi)試驗(yàn)很好地模擬這四種巖樣與M30砂漿之間正應(yīng)力與剪切應(yīng)力的關(guān)系。

從表2中各巖樣與M35砂漿的剪切強(qiáng)度參數(shù)可以得知，粘聚力c值大小為：ZL＞LZ2＞ND＞LZ1＞BS，內(nèi)摩擦角φ大小為ZL＜ND＜LZ2＜LZ1＜BS。ZL巖樣與M35砂漿的膠結(jié)面抗剪強(qiáng)度參數(shù)c值最大，相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ的數(shù)值最小，BS巖樣則與ZL巖樣呈相反規(guī)律。從圖4可以得出，當(dāng)正應(yīng)力2.2～5.4 MPa時(shí)，M30強(qiáng)度的砂漿與各巖樣錨固段抗剪強(qiáng)度大小為：LZ2＞ZL＞ND＞LZ1。BS巖樣的正應(yīng)力與剪應(yīng)力之間的線性相關(guān)性很好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.994，且正應(yīng)力在1.2～2.2 MPa時(shí)，其剪應(yīng)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(nèi)摩擦角逐漸增大的規(guī)律。M30砂漿內(nèi)摩擦角最大，但與不同巖樣的粘聚性較小，因此在進(jìn)行邊坡錨桿加固時(shí)，需要綜合考慮c值與φ值，得出砂漿與巖樣的剪切應(yīng)力最大值。從圖2～4可以看出，砂漿強(qiáng)度的增加使得各巖樣與砂漿的剪切強(qiáng)度增加，但砂漿M30變?yōu)樯皾{M35對(duì)其增幅影響較小。M30砂漿與各巖樣的正應(yīng)力與剪應(yīng)力線性相關(guān)性好，可為室內(nèi)模擬試驗(yàn)做理論基礎(chǔ)。綜上所述，從經(jīng)濟(jì)性與耐久性綜合考慮，M30砂漿與不同炭質(zhì)巖膠結(jié)面的力學(xué)特性較好，因此推薦使用M30砂漿對(duì)不同種類巖石邊坡進(jìn)行錨固。

3.2 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的砂漿與炭質(zhì)巖錨固段抗剪特性

為防止砂漿水化反應(yīng)不充分而導(dǎo)致水泥砂漿強(qiáng)度不足、產(chǎn)生裂縫及耐久性差等問題，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下也需保持足夠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。為探究不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下砂漿與炭質(zhì)巖錨固段膠結(jié)面的抗剪特性，對(duì)錨固段進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間試驗(yàn)。

如表3所示給出了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間砂漿與炭質(zhì)巖錨固段在不同法向應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

從表3可以看出，各巖樣與3種砂漿抗剪參數(shù)c值隨齡期的變化規(guī)律：BS巖樣、LZ1巖樣、ND巖樣與砂漿M25或砂漿M30的抗剪參數(shù)c值隨齡期的增加而增加，而LZ2巖樣、ZL巖樣的抗剪參數(shù)c值則呈相反趨勢(shì)變化。砂漿M35與各巖樣的抗剪參數(shù)c值隨齡期的增加反而顯著減小，因此考慮采用M35砂漿進(jìn)行錨固時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間可適當(dāng)縮短。

從表3可以看出，各巖樣與3種砂漿膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值隨齡期的變化規(guī)律。各巖樣與砂漿M25膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值變化規(guī)律：BS巖樣、LZ2巖樣與砂漿M25膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值隨齡期的增加而增加，而ND巖樣與砂漿M25膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值則呈相反趨勢(shì)變化，因此考慮巖石為ND時(shí)，采用M25砂漿進(jìn)行錨固的養(yǎng)護(hù)時(shí)間可適當(dāng)縮短。ZL巖樣、LZ1巖樣與砂漿M25膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值隨齡期的增加，其變化趨勢(shì)較小。各巖樣與砂漿M30膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值變化規(guī)律：BS巖樣、ND巖樣、ZL巖樣與砂漿M30膠結(jié)面的內(nèi)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(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值受齡期影響較小，因此考慮采用M30砂漿進(jìn)行錨固的養(yǎng)護(hù)時(shí)間可減少到7 d。各巖樣與砂漿M35膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值變化規(guī)律：ND巖樣、LZ1巖樣、ZL巖樣與砂漿M35膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值隨齡期的增加而增加，而ND巖樣與砂漿M25膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值則呈相反趨勢(shì)變化。LZ2巖樣與砂漿M35膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值受齡期影響較小，因此考慮巖石為ND與LZ2時(shí)，采用M35砂漿進(jìn)行錨固的養(yǎng)護(hù)時(shí)間可適當(dāng)縮短。

通過以上分析可以得出，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的砂漿與炭質(zhì)巖錨固段抗剪特性具有一定的規(guī)律，可先取樣后選取錨固所需砂漿，根據(jù)上述規(guī)律得出砂漿與錨固段的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，以此降低經(jīng)濟(jì)成本，增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度。若使抗剪參數(shù)c值與膠結(jié)面的內(nèi)摩擦角φ值綜合較大，優(yōu)先使用M30砂漿進(jìn)行錨固。

4 結(jié)語

本文通過一系列炭質(zhì)巖與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）隨著炭質(zhì)巖與砂漿界面粘聚力的減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大。

（2）[JP+3]砂漿強(qiáng)度的增加使得炭質(zhì)巖與砂漿的剪切強(qiáng)度增加，但砂漿M30變?yōu)樯皾{M35對(duì)其增幅影響較小。

（3）不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的砂漿與炭質(zhì)巖錨固段抗剪特性具有一定的規(guī)律，可取樣選取適宜的錨固砂漿后確定養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

（4）從經(jīng)濟(jì)性與耐久性綜合考慮，M30砂漿與不同炭質(zhì)巖膠結(jié)面的力學(xué)特性較好，因此推薦使用M30砂漿。

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作者簡(jiǎn)介：黃彬華（1994—），工程師，主要從事公路工程施工技術(shù)及經(jīng)營管理工作。