接触面倾角对干燥及饱和砂岩-混凝土组合体力学性能的影响

相 泽 王 伟 陈 超 裴亚兵 刘敬辉 郭 霞

(1.河海大学 土木与交通学院, 南京 210098;2.核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司, 浙江 湖州313000;3.长江生态环保集团有限公司, 武汉 430064)

混凝土与岩石的组合力学特性与单一介质有很大不同,其损伤变形规律较岩石或混凝土等单一介质复杂[1-3].在众多工程实践中,混凝土都建立在岩体之上,且大多建设在水环境中,例如在岩石上修建大坝和桥墩等,其稳定性会受到水及岩石混凝土组合形式的影响,因此研究水对不同组合形式下岩石混凝土组合体强度和变形特征的影响具有重要的工程意义.

此前,一些学者通过对一体两介质试样进行压缩试验,研究其力学特性等方面的变化规律,揭示一体两介质的内在机理.易成等[4]通过轴向受压一体两介质的试验,发现一体两介质之间由于接触面的黏结特性,组合体呈现出连续介质的特性,裂缝跨越接触面发展.徐珂等[5]通过单轴压缩荷载下受压应力-应变全过程的试验曲线,总结出一体和两体模型的力学性能差异很大.项伟等[6]对干燥和饱水条件下的岩石-喷射混凝土组合体进行单轴压缩试验,得到饱水试样组合体比干燥试样组合体的抗压强度和弹性模量都有所降低.郭东明等[7]通过对不同倾角的煤岩组合体进行单轴压缩试验,指出组合体的破坏形式由0°时的剪切破坏为主逐渐变为45°沿接触面的整体滑移失稳破坏.Selçuk等[8]通过单轴压缩试验研究了界面倾角对岩石-混凝土复合试件的强度和破坏模式影响规律.部分学者对一体两介质进行了其它试验研究[9-10],分析了一体两介质在岩石混凝土接触面处的剪切力学特性.此外,一些学者利用数值分析手段对组合体进行模拟计算,高欢等[11]运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA 系统再现组合体的破坏全过程.

综上所述,目前关于岩石混凝土一体两介质的研究,多为以单一倾角下不同含水状态或单一含水状态下变倾角的研究,而对不同含水状态下变倾角组合体的研究较少.因此,本文通过开展干燥和饱和状态下不同接触面倾角砂岩-混凝土组合体的单轴压缩试验,研究不同倾角组合体与单独介质的强度和变形特性差异,为在地质体上修建的工程体岩体力学性能的研究提供借鉴和参考.

1 试验材料和方案

1.1 试样制备

试验所用砂岩取自四川某工程现场的青砂岩,呈青灰色,天然密度约为2.41 g/cm3.根据文献[12]配制混凝土,配合比见表1.

表1 混凝土材料配合比

本文所使用混凝土由强度等级为52.5普通硅酸盐水泥、普通细砂、自来水、硅灰和聚羧酸高效减水剂组成.试样制作步骤:①将岩块加工成直径50 mm,高度100 mm 的标准圆柱砂岩试样,切割制备好不同角度的砂岩试样半体;②将倾角为0°、30°、45°、60°、90°的5组砂岩试样半体放入定制模具内,再将混凝土直接浇筑在砂岩表面,并振捣密实;③待砂岩-混凝土组合体浇筑完成24 h后,拆模,取出试样;④在标准条件下养护28 d后将试样切割加工成标准圆柱试样.

1.2 试验方案

根据不同工程实际情况,研究水对砂岩-混凝土组合体力学性能的影响,分别将混凝土与砂岩试样按0°、30°、45°、60°和90°共5个倾角组合,在干燥和饱和两种状态下各制作5组试件,开展不同倾角砂岩-混凝土组合体的单轴压缩试验,用于模拟不同工程环境的岩石混凝土组合体受压情况.

首先对组合体试样进行饱水处理,使用真空泵对组合体试样进行20 min的干抽后,加入蒸馏水进行4 h以上的湿抽,并浸泡4 h,使组合体试样处于充分饱水状态.浸泡结束后,对干燥和饱和状态下的砂岩-混凝土组合体进行不同倾角下的单轴压缩试验.试验在河海大学岩土力学及堤坝工程教育部重点实验室岩石力学多场耦合试验仪[13]上进行,采用应力加载的方式施加轴向压力,加载速率为1 MPa/min.

2 砂岩-混凝土组合体单轴压缩试验

2.1 单轴应力-应变曲线

对试样进行单轴压缩试验,得到干燥和饱和状态下不同倾角组合体试样的轴向应力-应变曲线,如图1所示.

图1 单轴压缩下砂岩-混凝土组合体的轴向应力-应变曲线

由图1(a)可以看出,干燥状态下砂岩的压密阶段最明显,混凝土的压密阶段最不明显.这表明砂岩内部含有较多的初始孔隙,而混凝土均匀性较好,内部孔隙较少,压密效果不明显.但相较混凝土,砂岩呈现出较高的强度.0°与90°倾角组合体的压密阶段相似,0°倾角试样的压密略大于90°倾角,这与试样倾角与加载面的位置相关.

由图1(b)可以看出,饱和状态下各试样的轴向应力-应变曲线比较离散,相较干燥状态下的组合体,饱和状态下各试样均呈现出更为明显的压密阶段,饱和砂岩压密阶段最为明显,说明水使砂岩延性大大提高,强度降低明显.由于混凝土均质性较好,饱和状态下混凝土的力学参数相比砂岩与干燥条件下相差不大[14],混凝土加强了饱和状态下组合体的强度,因而组合体的压密效果表现不明显.

2.2 强度特性

干燥和饱和状态下不同倾角砂岩-混凝土组合体峰值强度对比如图2所示.

图2 单轴压缩下砂岩-混凝土组合体的峰值强度

由图2可知,组合体强度随接触面倾角的变化而呈现各向异性.在干燥状态下,30°组合体的强度介于混凝土和砂岩之间,且更加接近于低强度的混凝土材料,与文献[15]结论一致.饱和状态下试样在遇水软化后强度均有一定下降,其中砂岩和60°组合体峰值强度下降明显,下降率分别为41.66%和18.74%,这表明水的存在使岩石内部孔隙水压力变大,固体颗粒所承担的有效应力减小,水对砂岩起到了明显的劣化作用,在水的作用下大倾角组合体的界面效应更加明显.无论是干燥还是饱和状态,组合体峰值强度均随倾角的增大呈现出先增大后减小再增大的趋势,且均在倾角为30°和60°时,峰值强度分别达到最大值和最小值,其原因可能是小倾角接触面对组合体起到了加强作用,而60°的界面对组合体的破坏影响较大,水更加弱化大倾角接触面的黏结强度,导致组合体体系的失效,故应特别注意防止此条件下大倾角工程发生失稳现象.

2.3 变形特性

干燥和饱和状态下不同倾角砂岩-混凝土组合体弹性模量和峰值应变对比如图3所示.

图3 单轴压缩下砂岩-混凝土组合体的弹性模量和峰值应变

由图3(a)可知,干燥状态下砂岩的弹性模量最高,60°组合体弹性模量最低,混凝土和其余倾角组合体试样的弹性模量处于中间状态,且相差不大.在饱和状态下,砂岩-混凝土组合体的弹性模量均大于砂岩的弹性模量,这是因为混凝土均质性较砂岩好,水对混凝土的弱化程度较低,饱水状态下混凝土加强了组合体试样的整体性能.由图3(b)可知,干燥状态下45°组合体峰值应变最大,90°组合体峰值应变最小,当倾角在0°～60°变化时,组合体的峰值应变先增大后减小,说明在达到接触面承载极限之前,较小角度的接触面加强了组合体整体的延性,当接触面增大到60°的时候,接触面达到其承载极限并发生滑移破坏,峰值应变陡然下降.饱和状态下组合体峰值应变均小于干燥状态下,曲线近似成W 型分布,30°组合体峰值应变达最低值,0°和90°组合体为最高值,这是由于轴向荷载作用下水对0°和90°倾角的组合体影响程度最小,能够承受较长时间的变形而不破坏.

秦明月马上掏出手机打电话给站前所的周所长，周所长答应一声表示马上派人协助来查。在等周所长的几分钟里，他继续问值班员，但是值班员的回答同寄存处人员的回答差不多，这儿大约是车流量最大的停车场了，每天进出的车量高达数千，他们不可能记得4天前哪一辆车可疑。

对比峰值强度、弹性模量和峰值应变图可发现,三者具有良好的对应关系,饱和状态下试样峰值强度和峰值应变均低于干燥状态,饱和状态下试样弹性模量高于干燥状态.这是因为饱和状态下试样在水的软化及倾角的双重作用下,组合体整体较早发生破坏,导致较低的峰值应变,从而呈现出较低的峰值强度.

2.4 破坏形式

不同倾角组合体试样在干燥和饱和状态下破坏形式有一定的差异,单轴压缩试验后试样的破坏照片和素描图如图4～5所示.

由图4可知,干燥状态下砂岩的破坏形式为X状共轭斜面剪切破坏,60°组合体出现整体滑移裂纹,其余组合体试样都为整体张拉破坏,出现几条竖向张拉宏观裂纹,说明干燥状态下混凝土和砂岩接触面具有一定的胶结强度,宏观裂缝贯穿砂岩和混凝土的接触面,最后试件共同破坏,是一种典型的一体两介质组合体.从图中还可以看出在混凝土部分较易出现较多的劈裂现象,这主要与混凝土的弹性模量小于砂岩的弹性模量有关,其更容易达到极限破坏强度.

由图5可知,饱和状态下砂岩、0°和30°砂岩-混凝土组合体的破坏形式依然为张拉破坏,但是其劈裂裂纹数量少于干燥状态下,从细观角度分析,是因为水的润滑及软化作用,软化后的材料出现偏塑性破坏.45°组合体开始在接触面处出现滑移裂纹,而60°组合体也出现整体滑移失稳,这由组合体剪切力和摩擦力的关系决定,当接触面倾角大于组合体内摩擦角时,接触面上的剪应力大于摩擦力,此时组合体沿接触面发生剪切滑移破坏,同时水的润滑作用使大倾角裂隙间的摩擦力降低,易使更大的倾角试样发生破坏.从该组合体破坏的块体来看,混凝土与砂岩部分都未出现裂纹,这也说明了水对大倾角砂岩混凝土组合体接触面的破坏起到了滑移作用.

图5 饱和状态下组合体试样的单轴破坏照片和素描图

两种状态下90°组合体具有和0°组合体相似的破坏特征,这是因为组合体剪切破坏面大致与0°和90°两种倾角都形成45°左右的夹角,所以两种倾角下组合体更容易形成一致的破坏形式.相比60°倾角,当倾角接近90°时,加载系统对试样两端的约束作用增强,组合体破坏由接触面、强度较低的混凝土和加载系统三者决定,破裂面在接触面和混凝土基质内部产生.

3 组合体轴向裂纹演化特征

3.1 轴向裂纹演化分析

裂纹的闭合、起裂、扩展是岩石发生破坏的重要原因,轴向裂纹应变是指外部荷载所引起岩石内部的原生裂纹起裂、扩展以及新裂缝产生导致的岩石轴向变形的变化.为了研究砂岩-混凝土组合体的界面及裂纹演化规律,轴向裂纹应变可以用来定量分析组合体内部的裂纹大小.为了定量研究岩石加载过程中的裂纹演化规律,Martin[16]提出了一种计算轴向裂纹应变的方法,见式(1):

根据试验结果数据可以计算绘制得到轴向应力-轴向裂纹应变曲线图,对比分析不同试样轴向裂纹的演化趋势,如图6所示.

图6 组合体的轴向裂纹应变与轴向应力关系

裂纹闭合压密阶段终点对应的轴向应力为最大裂纹闭合应力,对应的轴向裂纹应变为最大裂纹闭合应变.根据图6曲线变化形式,绘制单轴压缩下不同试样的最大裂纹闭合应力和应变分别随与倾角的关系,如图7所示.

图7 组合体的最大裂纹闭合应力和应变与倾角的关系

由图7可知,在干燥和饱和状态下,随着组合体倾角的增大,其最大裂纹闭合应力也都呈现出先增大后减小再增大的趋势,组合体的最大裂纹应变都低于砂岩的最大裂纹应变,说明砂岩饱和前后的压密程度均大于组合体的压密程度,与前面所得结果相一致.

3.2 轴向裂纹闭合应变演化方程验证

左建平推导出的轴向裂纹闭合应变演化方程[17],见式(2):

式中:εcm1为最大裂纹闭合应变;σ1为轴向应力;Ecc为压密阶段微裂纹和接触面的等效弹性模量;εcc1为轴向裂纹闭合应变.

对干燥和饱和状态下试样裂纹闭合压密阶段的曲线进行拟合,如图8所示.

图8 组合体的轴向应力-裂纹闭合应变拟合曲线

将干燥和饱和状态下试样的拟合结果统计到一张表中,并和图7(b)中的最大裂纹闭合应变进行对比,见表2.

表2 两种状态下组合体轴向裂纹闭合应变演化拟合方程

由图8和表2可知,轴向裂纹闭合应变演化方程能够较好地描述组合体压密过程中微裂纹和接触面的裂纹演化过程,拟合系数R2均大于0.94,拟合效果良好.对比最大裂纹闭合应变的试验值和拟合值,可以发现,干燥和饱和状态下两者的差距很小,以干燥状态下30°组合体为例,最大裂纹闭合应变的拟合值仅比试验值大0.97%,由此看出轴向裂纹闭合应变演化方程的拟合效果较好,验证了轴向裂纹闭合应变演化方程的正确性.

4 结 论

本文以砂岩-混凝土组合体为研究对象,开展干燥与饱和状态下不同倾角组合体的单轴压缩试验,主要结论如下:

1)饱和状态下试样的应力-应变曲线相较干燥状态离散,呈现更明显的压密现象;两种状态下组合体的峰值强度均随着倾角的增大先增大后减小再增大,且分别在倾角为30°和60°时取得最大值和最小值,最大强度值由砂岩和混凝土的峰值强度共同决定,最小强度值由大倾角接触面的抗剪强度控制.

2)水对组合体变形特性具有一定影响,饱和状态下不同倾角组合体弹性模量整体略高于干燥状态,而峰值应变小于干燥状态,曲线近似成W 型分布,与峰值强度的变化规律呈现良好的对应关系.

3)除60°组合体出现整体滑移裂纹外,其余试样多为整体张拉破坏,饱水状态下劈裂裂纹数量少于干燥状态;小倾角组合体破坏的宏观裂缝能够贯穿砂岩和混凝土的接触面,而60°组合体破坏主要发生在砂岩和混凝土接触面,因此,不同倾角组合体变形破坏机制存在本质差异.

4)依据裂纹变化形态划分的4个阶段能较好地描述岩石压缩过程中裂纹的压密、闭合、扩展与贯通;轴向裂纹闭合应变演化方程能够较好地描述组合体压密过程中微裂纹和接触面的裂纹演化过程,拟合系数R2均大于0.94,拟合效果良好.