考慮鋸齒狀節(jié)理的樁巖界面模型試驗(yàn)研究

趙明華　夏柏楊　趙衡

摘???要：針對嵌巖灌注樁嵌入軟弱巖層的工況，考慮成樁過程中樁巖界面的剪脹效應(yīng)，采用常法向剛度邊界條件（CNS）模擬軟巖對樁身的側(cè)向變形約束，開展了模擬樁巖界面?zhèn)茸枇Πl(fā)揮的室內(nèi)大尺寸直剪模型試驗(yàn).?將樁-巖接觸面的粗糙體簡化為規(guī)則的三角形鋸齒，根據(jù)不同的半波長分別制作了砂巖和混凝土試樣，得到了剪切荷載、剪切位移、法向荷載和法向位移之間的關(guān)系曲線.?試驗(yàn)結(jié)果表1明，軟巖鋸齒的法向剪脹角隨著剪切位移的增加呈非線性減小，且界面抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮與法向約束剛度、粗糙體半波長和剪切位移等密切相關(guān);同時(shí)，在考慮軟巖表1面鋸齒的彈性壓縮對界面剪脹角影響的基礎(chǔ)上，采用冪函數(shù)擬合了軟巖抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.?最后，將試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有理論模型結(jié)果對比，表1明了現(xiàn)有模型忽略樁巖界面剪脹角的非線性變化將高估嵌巖灌注樁側(cè)阻力的發(fā)揮，這在實(shí)際工程中將偏于不安全.

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ);破壞;樁巖界面;大尺寸直剪試驗(yàn);常法向剛度

中圖分類號：TU443??????????????????????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Laboratory?Testing?Study?on?Concrete-rock?Interface?with?Sawtooth?Joint

ZHAO?Minghua？，XIA?Boyang，ZHAO?Heng

（Geotechnical?Engineering?Institute，Hunan?University，Changsha?410082，China）

Abstract：In?consideration?of?the?weak?rock?conditions?of?rock-socketed?piles?and?taking?the?dilatancy?of?the?interface?into?account，the?constant?normal?stiffness?conditions?（CNS）?were?applied?to?simulate?the?lateral?constraints?provided?by?weak?rock，and?laboratory?model?tests?were?conducted?to?inquire?the?mobilization?of?the?side?resistance.?The?asperity?of?the?concrete-rock?interface?can?be?idealized?as?regular?sawtooth?asperities，and?sandstone?and?concrete?specimens?were?manufactured?with?different?half-chord?lengths，respectively.?The?relevant?measurements?were?observed，such?as?shear?load，shear?displacement，normal?load?and?normal?displacement.?In?addition，the?observations?showed?that?the?dilatancy?angle?of?the?interface?gradually?decreased?with?the?development?of?shear?displacement.?The?shear?strength?of?interface?is?closely?related?with?the?normal?constant?stiffness?and?the?half?chord?of?the?rough?body?as?well?as?the?shear?displacement.?Based?on?the?consideration?of?elastic?compression?of?the?asperity，the?empirical?relationship?for?the?shear?strength?of?weak?rock?was?fitted?by?power?functions.?On?the?other?hand，the?observations?were?compared?with?the?predictions?of?an?existing?theoretical?model，and?it?was?shown?that?the?theoretical?model?can?overestimate?the?side?resistance?of?the?rock-socketed?piles，due?to?the?disregard?of?nonlinear?variation?of?the?dilatancy?angle.

Key?words：pile?foundations;failure;concrete-rock?interface;large?scale?direct?shear?tests;constant?normal

stiffness

嵌巖灌注樁因其承載能力強(qiáng)、基礎(chǔ)沉降及不均勻沉降小、抗震性能優(yōu)越、樁端受外部因素影響小等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁樁基等工程中受到廣泛重視.?我國公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范將嵌巖樁歸類為完全的端承樁來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[1].?然而，近年來國內(nèi)外學(xué)者大量的試驗(yàn)調(diào)查以及對混凝土-巖石接觸面的深入研究表1明，嵌巖灌注樁的承載特性與嵌巖深度密切相關(guān)[2-4].隨著嵌巖深度增加，其軸向荷載傳遞越來越接近摩擦樁[5-6].?因此，研究嵌巖段側(cè)阻力的發(fā)揮程度對嵌巖灌注樁的初步設(shè)計(jì)有顯著意義.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對嵌巖樁側(cè)阻力的發(fā)揮以及軸向荷載傳遞規(guī)律展開了大量的模型試驗(yàn)與理論研究.?例如，董平等[7]基于樁巖間剪脹理論，提出嵌巖深度比應(yīng)根據(jù)樁長采用不同的設(shè)計(jì)原則.?在此基礎(chǔ)上，趙明華等[8]認(rèn)為軟巖界面中凸起的粗糙體在剪切破壞過程中將沿曲線滑動面破壞，利用滑移線場解建立了新的樁巖界面剪切函數(shù).?朱珍德等[9]建立了均方根法，測算了樁巖界面輪廓的分形維數(shù)，并采用不同粗糙度的剖面形式進(jìn)行常法向應(yīng)力的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，體現(xiàn)了兩相介質(zhì)粗糙度對剪切變形特性以及破壞機(jī)制的影響.?此外，國外學(xué)者也進(jìn)行了大量的室內(nèi)模型試驗(yàn).?例如，Kodikara等[10]采用不同規(guī)格的三角形鋸齒模擬樁巖界面的粗糙體，分別進(jìn)行了常法向應(yīng)力和常法向剛度試驗(yàn)，得到了規(guī)則三角狀鋸齒表1現(xiàn)為脆性破壞，而非規(guī)則鋸齒表1現(xiàn)出延性破壞的結(jié)論.?Gu等[11]通過對規(guī)則三角狀鋸齒和不同分形維數(shù)的不規(guī)則樁巖界面進(jìn)行剪切試驗(yàn)，討論了初始法向壓力、圍巖剛度、剪脹角對剪切特性的影響.

由于樁巖接觸面與巖石節(jié)理具有一定程度的相似性，早期的巖石節(jié)理直剪試驗(yàn)多用于模擬巖質(zhì)邊坡的滑動過程.?在滑動過程中，剪切面的上部荷載一般為恒定，因此，其邊界條件為常法向荷載，即直剪過程中法向荷載保持不變.?然而，對于嵌巖樁而言，由于在施工過程中鉆孔過程所形成的巖壁粗糙面，決定了剪切面非平面的特性，沿著混凝土-巖石接觸面凸起的粗糙體產(chǎn)生的剪切位移將使法向約束應(yīng)力也隨之變化.?為此，Johnston等[12]提出了常法向剛度的邊界條件來模擬此過程.?然而，無論是基于常法向應(yīng)力（CNL）還是常法向剛度（CNS）的直剪試驗(yàn)，在理論計(jì)算時(shí)大都將破壞前的試樣表1面的起伏粗糙體假設(shè)為不可壓縮的剛性體，因而將試樣的法向位移與剪切位移假定為簡單的線性關(guān)系.?實(shí)際上，剪切過程中法向應(yīng)力的增加將進(jìn)一步地壓縮凸起粗糙體并導(dǎo)致實(shí)際界面剪脹角的降低.?尤其當(dāng)嵌巖樁所處的圍巖為軟巖時(shí)，較大的可壓縮性使得該現(xiàn)象更加顯著.?因此，在研究嵌巖灌注樁的軸向荷載傳遞特性時(shí)有必要充分考慮樁巖界面的非線性法向約束行為.

為此，本文擬通過一系列混凝土-巖石常法向剛度直剪試驗(yàn)，調(diào)查樁巖界面的剪切力學(xué)行為，特別是剪切過程中粗糙體剪脹效應(yīng)對抗剪強(qiáng)度的影響以及軟巖鋸齒對混凝土的法向非線性約束行為.?在整理試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，擬提出一種半經(jīng)驗(yàn)的方法對樁巖界面的側(cè)阻力發(fā)揮進(jìn)行更合理的預(yù)測.

1???試驗(yàn)原理

嵌巖灌注樁在成樁施工過程中，鉆孔形成的軟巖巖壁會形成起伏的不規(guī)則粗糙界面;當(dāng)澆筑混凝土?xí)r，將會在樁巖界面上形成相互咬合的接觸面，如圖1（a）所示.?施加豎向荷載后樁身產(chǎn)生沉降，混凝土與巖體表1面沿著巖壁滑動產(chǎn)生剪切位移;在垂直于接觸面的方向上，樁身與巖壁的凸起體產(chǎn)生空隙，迫使圍巖向外撐開，產(chǎn)生法向膨脹位移，稱之為剪脹，如圖1（b）所示.?為了便于理論分析，本文假定軟巖凸起的粗糙體為規(guī)則的三角形鋸齒狀，由于圍巖不會無限側(cè)向膨脹，于是垂直于接觸面的法向應(yīng)力增量σ逐漸增加，從而導(dǎo)致接觸面上的剪應(yīng)力τ增加.?若樁身沉降進(jìn)一步增加，則法向應(yīng)力增量σ和剪應(yīng)力τ進(jìn)一步增大，與此同時(shí)，樁-巖界面的接觸面積逐漸減小.?當(dāng)剪應(yīng)力超過軟巖鋸齒抗剪強(qiáng)度時(shí)，凸起體被剪斷破壞，孔徑不再增大，進(jìn)入滑移階段，如圖1（c）所示.?以上就是描述樁巖界面剪切行為的兩階段（剪脹-剪斷）破壞模式.

根據(jù)厚壁圓筒的彈性理論解，假設(shè)洞壁發(fā)生δr的法向位移，則法向應(yīng)力增量?δσ可用式（1）表1達(dá)：

δσ?=??=?δr?K.?????（1）

式中：Er為巖體彈性模量;r為樁半徑;δr為樁半徑增量;δσ為法向應(yīng)力增量;νr為巖石泊松比.

Johnston等[12]指出，對于嵌巖樁而言，圍巖徑向增量δr與樁徑r相比十分小，巖石在微小的徑向變形下是彈性變形，即周圍巖石的法向剛度為一個定值，即K為常數(shù)：

=??=?K?=?Cons.?????（2）

式中：K為圍巖的法向剛度.

根據(jù)式（2）可知，K為常量，于是法向應(yīng)力增量與圍巖徑向膨脹呈線性關(guān)系.?這種樁巖界面的相對位移和應(yīng)力受常法向剛度條件控制.?常法向剛度條件對嵌巖樁的樁側(cè)摩阻力的發(fā)展，以及樁身位移荷載的特性有相當(dāng)大的影響，常法向剛度的條件更加貼近實(shí)際工程中嵌巖樁的工作特點(diǎn)，因而，在嵌巖樁的設(shè)計(jì)和施工過程中，應(yīng)該予以足夠的重視.

2???試樣制備及試驗(yàn)方法

為研究混凝土-巖石剪切過程中剛度的變化對剪切性能的影響，作者進(jìn)行了一系列工況下的混凝土-巖石兩相介質(zhì)的常法向剛度直剪試驗(yàn).?試驗(yàn)采用湖南省某高速公路橋梁樁基現(xiàn)場鉆取的砂巖，由常規(guī)三軸試驗(yàn)測得砂巖的各項(xiàng)指標(biāo)見表11.

利用巖石切割機(jī)制作尺寸為340?mm×100?mm×100?mm的長方體砂巖試樣，其中起伏鋸齒段為300?mm，試樣兩側(cè)各有20?mm的光滑平面，以減少試驗(yàn)中可能對試樣端側(cè)鋸齒產(chǎn)生應(yīng)力集中的不利影響.?試樣根據(jù)半波長長度分為兩種，分別為λ?=?10?mm和λ?=?7.5?mm，起伏角均為30°.?制作混凝土試塊時(shí)，將砂巖試樣接觸面朝上，并在其表1面鋪一層緊貼的塑料薄膜，隨后置于預(yù)制的澆筑模具底部，以其砂巖的鋸齒面作為混凝土模具底面，在其上澆筑混凝土.?在澆筑的過程中分層填料，充分?jǐn)嚢?，振搗，使混凝土充分填充在砂巖鋸齒間并接觸緊密，同時(shí)接觸面之間預(yù)先放置的塑料薄膜保證混凝土不與砂巖發(fā)生黏結(jié).?24?h后拆模，之后進(jìn)行28?d的混凝土養(yǎng)護(hù).?為了使混凝土在澆筑過程中與砂巖鋸齒接觸更為貼合，本文選用最大粒徑小于5?mm的碎石子作為骨料填充，水泥采用#42.5普通硅酸鹽水泥，沙子采用細(xì)砂，采用C30混凝土配合比，配合比為1?∶?0.42?∶?1.21?∶?2.83.?最終混凝土試件與砂巖試件之間形成了相互咬合的接觸面，養(yǎng)護(hù)完成后，砂巖和混凝土的試件照片如圖2所示.

試驗(yàn)儀器為湖南大學(xué)自主改造的巖石大尺寸直剪儀.?水平和法向的加載裝置采用富力通達(dá)多通道協(xié)調(diào)系統(tǒng)加載，并在法向加載伺服作動器端部附加了一個彈簧盒，彈簧盒最多可并聯(lián)8根彈簧提供法向剛度，試驗(yàn)前對彈簧進(jìn)行標(biāo)定，獲得其實(shí)際彈簧剛度.?在法向伺服作動器施加一定初始應(yīng)力后，施加剪切荷載，由于剪脹效應(yīng)導(dǎo)致彈簧盒受到壓縮變形，通過彈簧變形所提供的反力來模擬樁-巖接觸面中的法向剛度條件.?法向彈簧盒如圖3所示，儀器示意圖如圖4所示.?試驗(yàn)人員可直接觀察試驗(yàn)進(jìn)程，并在一旁架設(shè)高清攝影機(jī)，記錄全程接觸面變化情況并作分析.

本試驗(yàn)采用水平剪切方式，采用不同彈簧組合，使彈簧盒剛度分別接近K?=?200?kPa/mm和K?=?400?kPa/mm，試件在初始法向應(yīng)力σ0?=?200?kPa和不同法向剛度的工況下進(jìn)行剪切試驗(yàn).?試驗(yàn)中，將混凝土和砂巖試樣置于剪切盒內(nèi)，并使法向加載與剪切加載的作用力方向通過預(yù)定剪切面的幾何中心.?根據(jù)ASTM（D5607—08）規(guī)程[13]，試驗(yàn)實(shí)行分步加載，首先，法向作動器對試件以10?kPa/min的恒定速率施加法向荷載至200?kPa后停止加載并保持;然后，啟動水平作動器，以恒定的剪切速率0.5?mm/min施加剪切荷載，同時(shí)在電腦終端觀察剪切荷載-剪切位移曲線，當(dāng)剪切荷載達(dá)到峰后穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（即殘余剪切強(qiáng)度）終止加載.

3???試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1???試驗(yàn)結(jié)果

軟巖-混凝土常法向剛度剪切試驗(yàn)分別記錄剪切荷載-水平位移、法向位移-水平位移、法向荷載-剪切荷載、法向荷載-法向位移的數(shù)值，如圖5所示.?剪切完成后的砂巖和混凝土試件照片如圖6所示.

3.2???試驗(yàn)結(jié)果分析

本文選取法向剛度K?=?400?kPa/mm，半波長λ?=7.5?mm與半波長λ?=?10?mm的試樣剪切荷載-水平位移如圖7所示.?由圖7可發(fā)現(xiàn)，從剪切開始到小波長試樣破壞前，半波長的變化對試樣抗剪強(qiáng)度影響較小，二者抗剪強(qiáng)度相近;但是，隨著剪切位移的進(jìn)一步增加，λ?=?7.5?mm試樣達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度所需的剪切位移小于λ?=?10?mm試樣.?在達(dá)到峰值強(qiáng)度后，兩組試樣都呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即抗剪強(qiáng)度迅速降低，這表1明鋸齒進(jìn)入了剪斷階段.?隨后，抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低，直至達(dá)到殘余抗剪強(qiáng)度并維持在一個固定的水平.?由此可看出，在相同圍巖性質(zhì)條件下，提高粗糙面半波長可有效提高嵌巖樁的側(cè)阻力.

本文分別選取K?=?200?kPa/mm和K?=?400?kPa

/mm的常法向剛度進(jìn)行試驗(yàn)，得到其剪切荷載-剪切位移關(guān)系圖如圖8所示.?可以看出，法向剛度對于剪切峰值荷載的影響較大.?當(dāng)法向剛度從200?kPa提高為400?kPa時(shí)，峰值剪切荷載從44.86?kN提高至65.32?kN.?而臨界剪切位移從7.12?mm減小至6.39?mm.?可看出，提高法向剛度，可極大地提高峰值剪切荷載，并降低極限剪切位移，更快達(dá)到破壞位移.

上述關(guān)系存在的假設(shè)為試樣是不可壓縮的剛性體.?然而對于抗壓強(qiáng)度明顯較弱的軟巖而言，在剪脹的過程中，法向應(yīng)力的增加將導(dǎo)致軟巖鋸齒被壓縮，從而實(shí)際測量的剪脹位移?y要遠(yuǎn)小于理論剪脹位移.?此結(jié)果我們通過試驗(yàn)也得到了驗(yàn)證，本文選取了半波長λ?=?10?mm、法向剛度K?=?400?kPa/mm工況下實(shí)測法向剪脹位移和按式（3）所計(jì)算的法向位移，如圖10所示.

根據(jù)圖5各工況下的水平位移-法向位移曲線，本文擬合出不同工況下剪切破壞前的水平位移與剪切位移的冪指數(shù)關(guān)系，見表12.

對于樁-巖界面殘余摩擦角φr，可通過不同工況下殘余階段剪切荷載Psr，法向荷載Pnr的實(shí)測值進(jìn)行線性擬合得到，具體方法如下[13]：

？r?=?arctan??=?28.85°.?????（4）

擬合得到的曲線如圖11所示.

根據(jù)式（4）得到的法向位移與剪切位移之間的冪指數(shù)關(guān)系，本文以趙明華理論解[8]為基礎(chǔ)，考慮實(shí)際法向位移和初始法向應(yīng)力對于樁巖界面的影響，得到了改進(jìn)的剪切函數(shù)：

τ?=?（Ky?+?σ0）tan（？b?+?θ），x?≤?xf;

（K

yf?+?σ0）tan？r，x?>?xf?.????（5）

式中：xf?為剪切破壞時(shí)的剪切位移，本文試驗(yàn)中剪切破壞點(diǎn)為xf?;yf?為剪切破壞時(shí)的法向位移;？b為樁巖結(jié)構(gòu)面摩擦角;？r為樁-巖結(jié)構(gòu)面殘余摩擦角，由式（4）得到.

本文分別以式（5）的曲線、試驗(yàn)實(shí)測曲線、趙明華理論解[8]，采用半波長λ?=?10?mm、法向剛度K?=400?kPa/mm的剪切工況，進(jìn)行對比，如圖12所示.

通過圖12可看出，式（5）考慮實(shí)際法向位移對常法向剛度試驗(yàn)的影響，與實(shí)測曲線更加接近，而趙明華理論解[8]由于沒有考慮剪切過程實(shí)際的鋸齒壓縮，導(dǎo)致其計(jì)算峰值剪切荷載遠(yuǎn)大于實(shí)際剪切荷載，因此，軟巖試樣鋸齒的壓縮導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度降低不可忽視.

5???結(jié)???論

1）本文采用模型試驗(yàn)的方法，以不同半波長的鋸齒和法向剛度為變量，研究不同工況下常法向剛度剪切試驗(yàn)的結(jié)果，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提高法向剛度以及增加半波長，均能有效地提高樁-巖抗剪強(qiáng)度，對于提升嵌巖樁的承載能力有著重要的意義.

2）通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合發(fā)現(xiàn)，鋸齒剪脹引起的樁巖界面的法向位移與剪切位移之間存在冪指數(shù)的相關(guān)性.?按現(xiàn)有理論模型的估算方法忽略了樁巖界面剪脹角的非線性變化，將高估嵌巖灌注樁側(cè)阻力的發(fā)揮，這在實(shí)際工程中將偏于不安全.

3）基于樁巖界面鋸齒粗糙體剪切行為的兩階段（剪脹-剪斷）破壞機(jī)理，提出了一種半經(jīng)驗(yàn)的剪切模型，該模型能較好地體現(xiàn)剪切過程中剪脹角非線性減小的特點(diǎn)，其結(jié)果更加真實(shí)地反映了嵌巖樁實(shí)際的受荷機(jī)理.

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