炭质岩与砂浆粘结强度试验研究

黄彬华　莫鹏　骆俊晖

摘要：为研究炭质岩与砂浆接触面力学特性，文章选用5种炭质岩（BS、LZ-1、LZ-2、ND、ZL）与3种强度砂浆（M25、M30、M35），开展浆体与炭质岩的界面力学性质试验，分析同一强度砂浆与不同炭质岩锚固段剪切曲线特性、不同养护时间的砂浆与炭质岩锚固段抗剪特性。结果表明：随着炭质岩与砂浆界面粘聚力的减小，内摩擦角逐渐增大；砂浆强度的增加使得炭质岩与砂浆的剪切强度增加，但砂浆M30变为砂浆M35对其增幅影响较小；不同养护时间的砂浆与炭质岩锚固段抗剪特性具有一定的规律，可取样质岩胶结面的力学特性较好，在工程中推荐使用M30砂浆。

关键词：炭质岩；砂浆；剪切试验

0引言

炭质岩是一类对环境敏感，易风化、碎裂、崩解、软化，工程性质随环境变化较大的特殊性岩石，对工程建设影响较大［1］，因此亟须对炭质岩边坡的防护进行研究，为炭质岩边坡灾害防治提供依据。锚固支护技术依靠其经济性、有效性被广泛地应用于生产实际中，但其技术细节多、设计参数多、施工过程中要求高。目前相关的研究主要集中在浆体-杆体界面力学特性，但是浆体-岩土体界面力学作用同样十分重要。

张发明等［2］提出岩体与锚固体间粘结强度的确定是其十分重要的环节。查文华等［3］提出第一界面与第二界面的概念。罗瑞翔［4］提出可通过研究锚固界面剪应力来研究锚固机理。杨天鸿等［5］通过炭质岩的直剪流变实验，研究表明炭质泥岩夹层的法应力和剪应力存在线性关系，并建立了相关的流变力学模型，该模型可为边坡变形分析和滑坡中长期预报提供可靠的依据。林伟平等［6］提出影响混凝土与基岩界面抗剪强度的主因有粗糙度。陈记等［7］提出基岩的强度和所施加的正应力大小也是影响界面抗剪强度的主因。徐景茂等［8］得出岩体的强度越高，锚固体与岩石界面极限抗剪力越低的结论。

炭质岩与砂浆接触面力学特性的研究是炭质岩与砂浆间的相互作用问题中的关键所在，本文针对5种炭质岩石，设计炭质岩与3种不同强度的砂浆胶结面直剪试验，以探究不同炭质岩与不同砂浆胶结面的力学特性，为工程施工提供参考。

1 试验仪器

本次试验采用RMT-150C多功能岩石试验系统，本试验系统是武汉岩土所自行研制的数字控制式电液伺服试验机，可用于岩石与混凝土的单轴压缩、单轴间接拉伸、三轴压缩和剪切等力学试验，主要参数见表1。

2 试验方案

2.1 试验材料与试件

本次试验材料有42.5级通用硅酸盐水泥、普通河砂、水。水泥与河砂、水按照一定的比例配置成不同强度等级的砂浆，本次试验的砂浆强度为M25、M30和M35。其中，M25级砂浆配合比为1∶3.54∶0.8，M30级砂浆配合比为1∶1.38∶0.43，M35级砂浆配合比为1∶0.49∶0.48。最后制成试件尺寸为边长100 mm的正方体进行炭质岩与砂浆粘结强度试验。

2.2 试验方案

本试验选用5种炭质岩（BS、LZ-1、LZ-2、ND、ZL）、3种强度砂浆（M25、M30、M35），若研究每种炭质岩与3种强度砂浆的粘结强度试验，则共有15种炭质岩与砂浆交界面组合方式，若每组试验做4个平行试验，需要做60个立方体试件，则可开展不同炭质岩与不同砂浆强度的胶结面直剪试验。每种砂浆也分别制作4个纯砂浆的立方块进行直剪试验，则总共需要制作72个试件。胶结面的砂浆在标准养护条件下，养护时间分为7 d和28 d，每次养护试块数量为72个。

2.3 试样制备

对炭质岩这样极易风化水解的岩石来说，胶结面直剪试验切割时更易受到水与机器震动干扰，从而严重破坏岩样的整体性和强度。普通的试样制备方法太难实现试件切割而不破坏试件完整性这一操作，所以需要探究新的试样制备方法。针对这一问题，我们采用如下方法：

（1）首先将外接圆直径≤100 mm、横截面积足够大的炭质岩试块放入塑料模具中央，浇筑砂浆，形成100 mm×100 mm×100 mm的立方体块。

（2）养护成型后，再用切割机从立方体切割线处切开，形成内含岩石截面的切割面，此时的切割面既包含岩石又包含砂浆。

（3）将切割完后的一半试块从模具里取出，把适当厚度的橡皮泥贴在另一半切割试件的有砂浆存在的切割面。

（4）将粘贴有橡皮泥的半块立方体试件放入试模中，向试模中浇筑不同强度等级的砂浆，可以得到不同岩样与不同砂浆强度等級的剪切面，最后在标准养护条件下养护成型，则可得到不同砂浆强度与不同岩样的胶结面直剪试样。直剪试验试样制作的具体过程如图1所示。

3 结果分析

3.1 同一强度砂浆与不同炭质岩锚固段抗剪特性

为研究同一强度砂浆与不同炭质岩锚固段剪切曲线特性，对3种砂浆与5种岩石的胶结面分别做养护时间为28 d的直剪试验，研究所施加的正应力与剪切力关系，试验结果如图2～4所示。

由图2～4可以看出，界面正应力与抗剪强度存在一定的线性关系。界面抗剪强度可用摩尔库伦强度理论表达，见式（1）。其中，5种岩样与3种强度砂浆的粘聚力c和内摩擦角φ如表2所示。

当法向应力在0～6 MPa时，炭质岩与砂浆锚固段的抗剪强度与法向应力存在较好的线性关系，不同岩样与砂浆的抗剪强度参数见表2。

从表2中各岩样与M25砂浆的剪切强度参数可以得知，粘聚力c值大小为：ZL＞BS＞LZ1＞ND＞LZ2，内摩擦角φ大小为：ZL＜BS＜LZ1＜LZ2＜ND。ZL岩样与M25砂浆的胶结面抗剪强度参数c值最大，相应的内摩擦角φ的数值最小，ND岩样与ZL岩样则呈相反规律，其他3种炭质岩与M25砂浆胶结面处的c值和φ值相差较小，数据较集中。从图2可以看出，ND岩样的正应力与剪应力之间的线性相关性很好，相关系数高达0.928。当正应力在1～3.6 MPa时，M25强度的砂浆与各岩样锚固段抗剪强度大小为：ZL＞BS＞ND＞LZ1＞LZ2；当正应力＞3.6 MPa时，岩样ND与岩样LZ1随正应力的增加，剪应力变化较快。

从表2中各岩样与M30砂浆的剪切强度参数可以得知，粘聚力c值大小为：LZ2＞ZL＞ND＞BS＞LZ1，内摩擦角φ大小为LZ2＜LZ1＜ND＜ZL＜BS＜LZ2。岩样LZ2与M30砂浆的胶结面抗剪强度参数c值最大，相应的内摩擦角φ的数值最小。从图3可以看出，当正应力＜2.14 MPa时，M30强度的砂浆与各岩样锚固段抗剪强度大小为：LZ2＞ZL＞BS＞ND＞LZ1，当正应力＞2.14 MPa时，M30强度的砂浆与各岩样锚固段抗剪强度大小为：BS＞ZL＞LZ2＞ND＞LZ1，岩样ND、岩样LZ1与M30砂浆的剪切强度最差。LZ2岩样、ND岩样、BS岩样、LZ1岩样与M30砂浆的正应力与剪应力之间的线性相关性很好，相关系数＞0.9，因此可以通过室内试验很好地模拟这四种岩样与M30砂浆之间正应力与剪切应力的关系。

从表2中各岩样与M35砂浆的剪切强度参数可以得知，粘聚力c值大小为：ZL＞LZ2＞ND＞LZ1＞BS，内摩擦角φ大小为ZL＜ND＜LZ2＜LZ1＜BS。ZL岩样与M35砂浆的胶结面抗剪强度参数c值最大，相应的内摩擦角φ的数值最小，BS岩样则与ZL岩样呈相反规律。从图4可以得出，当正应力2.2～5.4 MPa时，M30强度的砂浆与各岩样锚固段抗剪强度大小为：LZ2＞ZL＞ND＞LZ1。BS岩样的正应力与剪应力之间的线性相关性很好，相关系数高达0.994，且正应力在1.2～2.2 MPa时，其剪应力变化较快。

从表2中可以得出随各岩样与砂浆界面粘聚力的减小，内摩擦角逐渐增大的规律。M30砂浆内摩擦角最大，但与不同岩样的粘聚性较小，因此在进行边坡锚杆加固时，需要综合考虑c值与φ值，得出砂浆与岩样的剪切应力最大值。从图2～4可以看出，砂浆强度的增加使得各岩样与砂浆的剪切强度增加，但砂浆M30变为砂浆M35对其增幅影响较小。M30砂浆与各岩样的正应力与剪应力线性相关性好，可为室内模拟试验做理论基础。综上所述，从经济性与耐久性综合考虑，M30砂浆与不同炭质岩胶结面的力学特性较好，因此推荐使用M30砂浆对不同种类岩石边坡进行锚固。

3.2 不同养护时间的砂浆与炭质岩锚固段抗剪特性

为防止砂浆水化反应不充分而导致水泥砂浆强度不足、产生裂缝及耐久性差等问题，在标准养护条件下也需保持足够的养护时间。为探究不同养护时间下砂浆与炭质岩锚固段胶结面的抗剪特性，对锚固段进行不同养护时间试验。

如表3所示给出了不同养护时间砂浆与炭质岩锚固段在不同法向应力作用下的抗剪强度参数。

从表3可以看出，各岩样与3种砂浆抗剪参数c值随龄期的变化规律：BS岩样、LZ1岩样、ND岩样与砂浆M25或砂浆M30的抗剪参数c值随龄期的增加而增加，而LZ2岩样、ZL岩样的抗剪参数c值则呈相反趋势变化。砂浆M35与各岩样的抗剪参数c值随龄期的增加反而显著减小，因此考虑采用M35砂浆进行锚固时，养护时间可适当缩短。

从表3可以看出，各岩样与3种砂浆胶结面的内摩擦角φ值随龄期的变化规律。各岩样与砂浆M25胶结面的内摩擦角φ值变化规律：BS岩样、LZ2岩样与砂浆M25胶结面的内摩擦角φ值随龄期的增加而增加，而ND岩样与砂浆M25胶结面的内摩擦角φ值则呈相反趋势变化，因此考虑岩石为ND时，采用M25砂浆进行锚固的养护时间可适当缩短。ZL岩样、LZ1岩样与砂浆M25胶结面的内摩擦角φ值随龄期的增加，其变化趋势较小。各岩样与砂浆M30胶结面的内摩擦角φ值变化规律：BS岩样、ND岩样、ZL岩样与砂浆M30胶结面的内摩擦角φ值随龄期的增加而减小，其余两种岩样与砂浆M30胶结面的内摩擦角φ值受龄期影响较小，因此考虑采用M30砂浆进行锚固的养护时间可减少到7 d。各岩样与砂浆M35胶结面的内摩擦角φ值变化规律：ND岩样、LZ1岩样、ZL岩样与砂浆M35胶结面的内摩擦角φ值随龄期的增加而增加，而ND岩样与砂浆M25胶结面的内摩擦角φ值则呈相反趋势变化。LZ2岩样与砂浆M35胶结面的内摩擦角φ值受龄期影响较小，因此考虑岩石为ND与LZ2时，采用M35砂浆进行锚固的养护时间可适当缩短。

通过以上分析可以得出，不同养护时间的砂浆与炭质岩锚固段抗剪特性具有一定的规律，可先取样后选取锚固所需砂浆，根据上述规律得出砂浆与锚固段的养护时间，以此降低经济成本，增强抗剪强度。若使抗剪参数c值与胶结面的内摩擦角φ值综合较大，优先使用M30砂浆进行锚固。

4 结语

本文通过一系列炭质岩与砂浆粘结强度试验，得出以下结论：

（1）随着炭质岩与砂浆界面粘聚力的减小，内摩擦角逐渐增大。

（2）[JP+3]砂浆强度的增加使得炭质岩与砂浆的剪切强度增加，但砂浆M30变为砂浆M35对其增幅影响较小。

（3）不同養护时间的砂浆与炭质岩锚固段抗剪特性具有一定的规律，可取样选取适宜的锚固砂浆后确定养护时间。

（4）从经济性与耐久性综合考虑，M30砂浆与不同炭质岩胶结面的力学特性较好，因此推荐使用M30砂浆。

参考文献：

［1］刘赛豪.地震荷载作用下炭质页岩边坡稳定性分析［D］.长沙：长沙理工大学，2018.

［2］张发明，陈祖煜，刘 宁.岩体与锚固体间粘结强度的确定［J］.岩土力学，2001（4）：470-473.

［3］查文华，王京九，华心祝，等.锚杆锚固性能及界面力学特性研究综述［J］.人民长江，2021，52（11）：161-168.

［4］罗瑞翔.地震作用下平顶山膨胀土边坡锚固界面剪切作用研究［D］.淮南：安徽理工大学，2020.

［5］杨天鸿，芮勇勤，朱万成，等.炭质泥岩泥化夹层的流变特性及长期强度［J］.实验力学，2008（5）：396-402.

［6］林伟平，田开圣，曾广平.影响混凝土与基岩胶结面抗剪强度的主要因素研究［J］.水利学报，1985（10）：8-17.

［7］陈 记，徐卫亚，朱珍德，等.基岩-混凝土胶结面剪切强度JRC-JCS模型研究［J］.河海大学学报（自然科学版），2003（4）：407-410.

［8］徐景茂，顾雷雨.锚索内锚固段注浆体与孔壁之间峰值抗剪强度试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004（22）：3 765-3 769.

作者简介：黄彬华（1994—），工程师，主要从事公路工程施工技术及经营管理工作。