旋挖成孔方式下螺紋狀圍巖粗糙度量化分析

張強, 劉漢順, 張振華, 楊燦文, 羅扣, 殷永高, 徐恒暉, 張丹

(1.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司, 武漢 430056; 2.合肥工業大學 土木與水利工程學院, 合肥 230009)

嵌巖樁以其承載力大、變形小、側向剛度大的優點,在大跨徑橋梁工程中得到廣泛應用。在成樁過程中,由于鉆孔工具等因素,樁-巖界面上會形成系列起伏的三維粗糙體,對樁身荷載傳遞機制、樁基承載力計算至關重要[1-6]。因此準確量化實際鉆挖后樁-巖粗糙體的三維粗糙度特征,是建立基于界面粗糙度的樁基承載力設計方法首先需要解決的問題。

中外學者已經認識到樁-巖界面粗糙度對界面強度特性影響顯著,并開展大量研究。Johnston等[7]首先用規則三角形粗糙體等效代替樁-巖界面粗糙度,并通過剪切試驗結果進一步建立了規則三角形樁-巖界面力學分析模型。付郁桐[8]、張宇浩[9]采用人工鑿毛法模擬樁-巖界面粗糙度,分別分析了紅層泥巖嵌巖樁豎向荷載傳遞特性和樁-巖界面剪切特性。趙明華等[10]利用三角鋸齒狀建立適于弱質巖石嵌巖樁的粗糙體模型,探討了樁側摩阻力和樁身軸力隨深度變化的分布規律。趙衡等[11]將樁-巖界面粗糙體簡化為規則的三角形鋸齒來研究不同尺寸的三角形鋸齒對樁-巖界面抗剪強度發揮程度的影響。以上研究較為詳細地探討了基于規則三角形粗糙體的樁-巖剪切強度特征及嵌巖樁荷載傳遞規律。然而由于實際工程中樁-巖界面上粗糙體是三維形態,在應用考慮粗糙度特征的嵌巖樁分析理論時,有必要探明實際嵌巖樁-巖界面粗糙度特征,對其進行量化分析才能在實際工程中開展應用。

Barton[12]提出的估算結構面抗剪強度的JRC(joint roughness coefficient)與結構面壁巖強度(joint wall compressive strength, JCS)型(即JRC-JCS模型)中在工程實踐中被廣泛使用,其模型中描述界面粗糙度特征的參數JRC在實際工程中如何量化獲得廣泛研究。對于二維粗糙輪廓,中外學者采用結構面輪廓均方根Z2和結構函數SF[13]、伸長率(R)[14]、分形維數(D)[15]、相對起伏幅度和伸長率[16]、剖面長度比和最大起伏度[17]、粗糙度輪廓指數(Rp)[18]來估算JRC3D。對于三維粗糙體,也有學者采用三維分形維數[19]、結構面光亮面積百分比[20]、三維平均傾角和最大可能接觸面積比[21]、起伏度與面積擴展率[22]、粗糙度參數(Aj)[23]、粗糙度剖面指數[24]等參數來估算三維JRC3D。以上方法對實際砂巖界面粗糙度的描述提供了較多描述方法。然而少有學者針對實際樁-巖界面特征進行研究,量化分析實際樁-巖界面的粗糙度特征規律,這對深嵌巖樁的準確設計極為重要。

為此,依托馬鞍山長江大橋嵌巖樁基工程,在現場鉆取含粗糙界面的砂巖試樣,通過三維激光掃描獲重塑樁-巖界面數字化模型;據此對樁-巖界面粗糙度特征,如面積擴展率(S)等進行量化分析;最后量化實際樁-巖界面JRC3D特征值,并與已有室內試驗中粗糙體界面對比,以期為實際工程中嵌巖樁-巖界面粗糙度的量化及樁-巖界面強度特性的預測提供科學依據。

1 實際樁-巖界面三維數字化模型

1.1 實際樁-巖界面

馬鞍長江大橋采用大直徑、深嵌巖樁基(樁徑4 m,樁長80 m),橋址區為弱風化砂巖層。鉆機貫入到弱風化砂巖地層時,會在砂巖表面形成一系列高低起伏的螺紋狀粗糙體?，F場取回含粗糙界面砂巖如圖1(a)所示,同時給出試驗中人工鑿毛粗糙面和規則鋸齒狀粗糙面?？梢园l現實際樁-巖界面的粗糙面與人工鑿毛法、規則三角形的粗糙面具有明顯差異。人工鑿毛法的粗糙面[8]呈散點式分布有大量不規則空洞、凹槽[圖1(b)];規則鋸齒形粗糙面[11]則有一系列規則三角形鋸齒狀輪廓組成[圖1(c)[11]],并無相對平滑的接觸面區域。實際樁-巖粗糙面有規則的螺紋狀凹槽,而凹槽和凸面則表現為起伏較低的相對平整面。

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

由于粗糙面呈三維圓弧狀,整體量化分析較為困難。因此在不改變粗糙面特征前提下,將砂巖試樣切割成12塊底面尺寸為100 mm(長)×100 mm(寬)、最高點至底面高度為55 mm的巖塊,標號為A01～A12,如圖2所示?？纱_保每個試樣包含完整砂巖粗糙界面特征的前提下,將其近似簡化為粗糙平面進行量化分析。

圖2 樁-巖界面試樣Fig.2 Pile-rock interface samples

1.2 樁-巖界面粗糙體三維重構

首先采用三維激光掃描儀對砂巖粗糙度形貌進行點云數據采集。三維激光掃描設備由TEXU200W拍照式三維掃描儀、旋轉盤、顯示器、三腳架等組成,如圖3所示。該儀器激光采用先進的藍光光柵掃描技術,配合雙目200萬像素工業相機,掃描方式為非接觸式LED藍光掃描,可以在復雜的光環境下進行掃描,除藍光外的光線都被過濾,從而提高掃描精度與效果。通過三維激光掃描可將巖塊表面粗糙度形貌離散為421 568～508 435個三維坐標點的點云數據,再利用平面投影的方法和Delaunay生長法相結合的構網方法,先將相鄰的三個三維點坐標連成三角形微元,用三角化網格覆蓋點云,生成mash網格,最終獲得圍巖側壁粗糙面的三維數字化模型,如圖4所示。

圖3 掃描裝置Fig.3 Scanning device

圖4 Delauuay生長法Fig.4 Delauuay growth method

圖5為A01試樣三維數字化模型與實物圖對比,其中0 mm代表砂巖粗糙面的基準高度40 mm,藍色部分表示高于基準面4 mm以下,紅色部分表示高于基準面8 mm以上?？梢园l現,三維數字化模型能夠清晰地再現A01試樣實物圖中的螺紋凹陷、局部凸起等外貌特征,表明采用平面投影方法和Delaunay生長法相結合的構網方法精度高,出錯率較低,重塑后三維形貌圖可以很好地反映實際樁-巖界面試樣的粗糙度特征。圖6為采用三維激光掃描重塑后獲得的12個巖塊試樣粗糙面的三維形貌重構圖。

圖5 樁-巖界面模型與試樣對比Fig.5 Comparison of pile-rock interface model and sample

2 樁-巖界面粗糙度特征分析

2.1 面積擴展率

面積擴展率(S)可以很好地描述圍巖粗糙體結構面的起伏形態,其表達式[14,21-22]為

(1)

式(1)中:A和A0分別為結構面表面面積和投影面積。

根據1.2節中砂巖界面數字化模型可計算得到每個砂巖試樣的表面面積計算其面積擴展率,如表1所示,同時給出文獻[21]和文獻[22]巖體結構面面積擴展率。由于切樣后樁-巖界面試樣并不均勻(圖5),因此不同試樣面積擴展率有所不同。其次,樁-巖界面的面積擴展率(均值為12.76%)遠大于常規巖體結構面面積擴展率[8,22]。而相對于二維規則粗糙面(三角形凸起傾斜角為20°)[11],其面積擴展率(長度延伸比為6.4%)也小于實際樁-巖界面面積擴展率。這是因為實際樁-巖界面受旋挖機械影響,界面高差更為顯著(約15 mm);而巖體結構面和室內試驗中規則粗糙面相比樁-巖界面高差更小(約5 mm)[11,22]。因此常規巖體結構面和室內試驗中二維規則粗糙體難以真實表征實際樁-巖界面的粗糙度特征。

表1 面積擴展率S Table 1 Area expansion rate S

2.2 相對平均起伏度

直邊法(修正直邊法)[25]中,相對起伏度(Rs)被用來表征結構面的粗糙度系數,其表達式為[21-22]

(2)

(3)

根據1.2節中砂巖界面數字化模型,將砂巖界面沿剪切方向進行等間距切割,切割間距為5 mm,如此可將每個砂巖界面簡化為20條長為100 mm、間距5 mm的輪廓線,分別對每條輪廓線進行等間距創建點,間距為1 mm,這樣每條輪廓線共創建100個點共分成99段。通過找出zmax與zmin即可得到每條輪廓線的輪廓曲線起伏度(RA),進而擴展到三維的結構面起伏度(Rs),計算結果如表2所示,同時給出常規巖體結構面的相對平均起伏度。對比可以看出:實際樁-巖界面相對起伏度均值為0.115,而巖體結構面相對平均起伏度多小于0.06(文獻[21]均值為0.06,文獻[22]均值為0.03),即實際樁-巖界面平均起伏度遠大于巖體結構面平均起伏度,這也是因為受旋挖機械影響的樁巖界面更為粗糙。相對于二維規則粗糙面,其相對平均起伏度(0.012～0.017[11])也遠小于實際樁-巖界面平均起伏度,再次表明巖體結構面粗糙度特征和室內試驗中規則粗糙體難以反應實際樁-巖界面的粗糙度特征。

我突然意識到：這不正是一種生命的最佳境界嗎？古人云：“地低成海，人低成王。”生活需要低調，為人處世更不可高調。低調的人總能捕捉到生命中的意外驚喜，他們懂得默默地奉獻自己，積蓄力量等待生命的綻放。而那些一味高調做人只會炫耀自己的人，也許能得到一時的利益，但永遠不會在別人的靈魂里留下芬芳。

表2 平均相對起伏度Table 2 Relative average undulation

2.3 樁-巖界面平均傾斜角

Homand等[26]提出了節理表面二維輪廓平均角和整個節理表面輪廓平均角的加權平均值,用來描述節理表面的粗糙程度(圖7)。對于一節理表面二維輪廓線,沿某一指定方向的計算公式為

θi為相鄰兩個點的傾角

(4)

三維

(5)

表3 界面平均傾角Table 3 Average inclination angle

3 圍巖粗糙度強度參數

3.1 JRC3D 試驗計算

根據Barton等[12,27]提出的結構面JRC-JSC理論,界面強度特征JRC3D可通過式(5)計算,其中界面剪切強度(τ)可通過不同法向應力(σn)下界面剪切試驗測得,結構面抗壓強度JCS可通過界面抗壓試驗測得,界面基本內摩擦角(φb)可根據Barton等[12,27]和文獻[22]統計結果,可選為30°。因此,選取A1～A6作為代表性試樣制備樁-巖界面試樣(100 mm×100 mm×100 mm),并采用合肥工業大學巖石壓剪試驗儀開展3組界面剪切特性和3界面抗壓強度特性。剪切試驗結果如圖8所示,在圍壓為200、600、1 MPa時樁巖界面剪切強度分別為1.07、1.523、1.808 MPa。界面抗壓強度(JCS)為14.14、16.3、18.08 kPa,去均值16.2 kPa計算JRC3D。根據式(5)計算得到實際樁巖界面JRC3D值分別為25.89、26.89、25.67。

圖8 樁-巖界面剪切試驗結果Fig.8 Results of the direct shear test on pile-rock sample

(6)

式(6)中:JRC為結構面的粗糙度系數;JCS為結構面的抗壓強度。

3.2 粗糙體起伏幅度驗證分析

目前已有大量學者針對巖土體的粗糙度建立粗糙度模型,如石林等[21]構建了三維巖體粗糙度JRC3D與面積擴展率(S)和結構面起伏度(Rs)的關系;齊豫等[22]建立了參數為結構面起伏角、相對起伏度和面積擴展率的粗糙度JRC3D表征方法;湯慶浩等[17]基于標準輪廓線擬合了JRC與剖面長度比關系,其計算公式分別為

JRC=-3.212-0.951×(100S)+4.532Rs

(7)

JRC=6.423+2.329×(100S)-0.187Rs-

(8)

(9)

表4 JRC3D值的結果對比Table 4 Comparison results of JRC3D

4 結論

實際旋挖鉆孔成樁過程中形成的規則螺旋狀的樁-巖界面為對象,建立其三維數字化模型;而后對其粗糙度特征值(面積擴展率、相對平均起伏度以及平均傾斜角)和強度特征參數JRC3D進行分析,并與室內試驗規則粗糙體進行對比分析,得出如下主要結論。

(1)實際樁-巖界面既有規則的螺紋狀凹槽,也有起伏較低的相對平整面,而非室內試驗中人工鑿毛法的不規則空洞、凹槽界面和規則鋸齒形粗糙面的規則三角形鋸齒狀輪廓。

(2)實際樁-巖界面粗糙度特征參數面積擴展率、相對平均起伏度和界面平均傾斜角,均大于巖體結構面和室內規則粗糙體特征參數,有必要針對實際樁-巖界面剪切特征開展試驗研究。