軟巖-混凝土界面剪切力變化規(guī)律及預(yù)測(cè)模型

李忠芳，舒 丹，王 姣，粟茜潔

(1.長(zhǎng)江重慶航運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401147；2. 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014；3.重慶市水土保持監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147)

軟巖的力學(xué)性能及其對(duì)港口工程混凝土嵌巖樁承載特性的影響相比于硬巖有較大的差異性[1-2]，軟巖-混凝土樁界面(簡(jiǎn)稱：巖-砼界面)的荷載傳遞特性會(huì)對(duì)樁基側(cè)摩阻力的發(fā)揮造成影響[3-4]。研究外荷載作用下巖-砼界面的受力規(guī)律，建立合理的界面力學(xué)模型，這將有利于闡明軟巖嵌巖樁的荷載傳遞模式并揭示其受力機(jī)理，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

剪切荷載作用下巖-砼界面的力學(xué)行為可充分反映樁基-軟巖相互作用時(shí)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度[5]。蒲訶夫[6]考慮了土體深度效應(yīng)和樁-土相對(duì)滑移對(duì)樁-土界面荷載傳遞特性的影響，提出了改進(jìn)的樁-土界面雙曲線模型。蔡江東等[7]通過直剪試驗(yàn)，得出當(dāng)樁周土強(qiáng)度較低時(shí)，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出軟化特征；當(dāng)樁周土強(qiáng)度較高時(shí)，樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)出硬化特征的結(jié)論。王建[8]通過現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)得出了3種典型的樁側(cè)摩阻力與樁-土位移的變化規(guī)律：(1)非軟化非硬化型：樁側(cè)摩阻力隨樁-土位移呈先增后平的趨勢(shì)；(2)后期退化型：樁側(cè)摩阻力-相對(duì)位移曲線呈現(xiàn)出由增到減到平的三折線規(guī)律；(3)后期硬化型：樁側(cè)摩阻力-相對(duì)位移曲線分為2段，前期較陡、后期較緩。已有研究大都認(rèn)為：樁-土界面的荷載傳遞規(guī)律以“非軟化非硬化型”為主，且多采用雙曲線函數(shù)表征其界面力學(xué)特征。然而，軟巖和混凝土均屬于硬質(zhì)材料，其接觸界面的受力特性理應(yīng)更符合“后期退化型”的變化規(guī)律，因此軟巖-混凝土界面的力學(xué)問題仍值得深入研究。

本文通過從工程現(xiàn)場(chǎng)取回軟巖(中風(fēng)化泥巖)試樣，制備得到4組巖-砼試件，將之真空飽水后開展巖-砼界面剪切試驗(yàn)，實(shí)測(cè)得到飽和軟巖-混凝土界面剪切力-位移曲線，分析巖-砼界面剪切力隨位移的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)樁側(cè)摩阻力退化模型并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到模型中的計(jì)算參數(shù)，建立無因次化的巖-砼界面剪切力預(yù)測(cè)模型。

1 巖-砼界面剪切力變化規(guī)律

1.1 巖-砼界面剪切試驗(yàn)

本文采用RMT-301剪切試驗(yàn)系統(tǒng)來實(shí)施試驗(yàn)。根據(jù)該剪切試驗(yàn)系統(tǒng)的尺寸要求，制備得到4組巖-砼試件。其中，軟巖、混凝土試件的尺寸分別為200×200×95 mm3、180×180×105 mm3。試件制作過程中，先將天然泥巖按上述標(biāo)準(zhǔn)打磨成型，再將其與C30混凝土一起澆筑成型，形成接觸界面，經(jīng)養(yǎng)護(hù)并飽水后得到飽和的巖-砼試件。試驗(yàn)步驟如下：

(1) 預(yù)熱RMT-301系統(tǒng)，將已制備好的巖-砼試件放入下剪切盒中，砼側(cè)在下，巖側(cè)在上。

(2) 安放上剪切盒，在巖側(cè)表面均勻?yàn)⒛ㄒ粚?～10 mm厚的細(xì)沙并蓋上一塊與試件等長(zhǎng)、等寬的鋼板，將試件及上、下剪切盒推送至剪切試驗(yàn)區(qū)域。

(3) 在下剪切盒的銷軸上套上水平拉桿，由于RMT-301剪切系統(tǒng)的法向應(yīng)力加載臂的長(zhǎng)度有限，故應(yīng)在上剪切盒的正上方放置鋼墊塊；同時(shí)，為避免因法向應(yīng)力加載臂與鋼墊塊之間發(fā)生較大的滑動(dòng)摩擦，在最上層鋼墊塊處設(shè)置滾柱，以滾動(dòng)摩擦來代替滑動(dòng)摩擦，減小試驗(yàn)誤差；

(4) 在系統(tǒng)配套的計(jì)算機(jī)上設(shè)置各項(xiàng)基本參數(shù)，進(jìn)行豎向、水平預(yù)加載。而后，按照所設(shè)置的加載速率對(duì)試件施加豎向力(本文共計(jì)對(duì)4組飽和巖-砼試件分別施加25、40、60、80 kN的豎向力)，待豎向力施加完成后，即可通過拉桿對(duì)下剪切盒施加水平剪切力，采用上、下剪切盒之間的相對(duì)位移(即巖-砼界面的位移)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)該位移達(dá)到某一值時(shí)，表明試件的界面已發(fā)生破壞，此刻停止加載。

1.2 巖-砼界面剪切力-位移曲線

如圖1所示，為當(dāng)豎向力P分別為25、40、60、80 kN時(shí)巖-砼界面的剪切力隨位移的變化曲線。從中可以看出：隨著巖-砼界面位移的增加，界面剪切力呈現(xiàn)出“先增、后減、終平”的變化規(guī)律，即：巖-砼界面剪切力先隨位移的增加呈現(xiàn)出非線性的增大趨勢(shì)；當(dāng)位移達(dá)到某一值時(shí)(圖1中顯示約2.6 mm)，界面剪切力達(dá)到峰值；接下來，界面剪切力隨位移的增加而逐漸降低最終趨于平穩(wěn)，此時(shí)的剪切力被稱之為殘余剪切力。另一方面，界面剪切力的實(shí)測(cè)結(jié)果隨豎向力的增加而逐漸增大。綜上表明：飽和軟巖-混凝土界面的力學(xué)特性與“后期退化型”的變化規(guī)律相吻合。

圖1 巖-砼界面剪切力-位移曲線Fig.1 Shear force vs. displacement curve for rock-concrete interface

2 巖-砼界面剪切力預(yù)測(cè)模型

為了定量描述巖-砼界面剪切力隨位移的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)不同豎向力作用下巖-砼界面的剪切力數(shù)值大小，本文基于樁側(cè)摩阻力退化模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定其計(jì)算參數(shù)，建立無因次化的巖-砼界面剪切力預(yù)測(cè)模型并驗(yàn)證模型的正確性。

2.1 樁側(cè)摩阻力退化模型

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，樁側(cè)摩阻力退化模型的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫為

(1)

式中：Fτ為樁側(cè)摩阻力，本文中即表示巖-砼界面剪切力，kN；x為樁-土之間的相對(duì)位移，本文中即表示巖-砼界面位移，mm；a、b、c分別為計(jì)算參數(shù)。式(1)的函數(shù)表達(dá)式能夠有效描述巖-砼界面的剪切力隨位移變化的“先增、后減、終平”趨勢(shì)。此外，模型式(1)僅能用于表征在豎向荷載作用下樁側(cè)摩阻力隨樁-土相對(duì)位移的變化特征，不可用于描述水平荷載作用下樁身截面橫向剪切力的變化規(guī)律。

2.2 模型建立

為了讓建立得到的預(yù)測(cè)模型普適性更強(qiáng)，將式(1)中的巖-砼界面剪切力Fτ及位移x這兩個(gè)自變量進(jìn)行無因次化處理，得到無因次化的巖-砼界面剪切力和位移，即：Fnτ=Fτ/P，xn=x/xmax。其中，P為在試驗(yàn)過程中作用在巖-砼試件上的豎向力，P=25、40、60、80 kN；xmax為峰值剪切力對(duì)應(yīng)的巖-砼界面位移，根據(jù)圖2可知：xmax=2.6 mm。將Fnτ、xn帶入式(1)中，可得到樁側(cè)摩阻力退化模型的無因次化數(shù)學(xué)表達(dá)式

圖2 巖-砼界面無因次化剪切力散點(diǎn)及其擬合曲線Fig.2 Normalized shear force scatters of rock-concrete interface and its fitted curve

(2)

式中：a′、b′、c′分別為式(2)中的計(jì)算參數(shù)。根據(jù)Fnτ、xn的表達(dá)式并結(jié)合圖1中的試驗(yàn)結(jié)果，繪制得到無因次化的巖-砼界面剪切力散點(diǎn)隨無因次化巖-砼界面位移的變化圖示，如圖2所示?；谑?2)的函數(shù)型式并結(jié)合非線性回歸方法，可擬合得到式(2)中的計(jì)算參數(shù)a′=0.378、b′=0.091、c′=0.553，擬合曲線詳見圖2。因此，基于樁側(cè)摩阻力退化模型一般表達(dá)式的無因次化巖-砼界面剪切力預(yù)測(cè)模型可寫為

(3)

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證式(3)中模型預(yù)測(cè)值的正確性，文中將不同豎向力P作用下通過剪切試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的巖-砼界面剪切力的結(jié)果(簡(jiǎn)稱：試驗(yàn)實(shí)測(cè)值)同式(3)中預(yù)測(cè)模型的計(jì)算值(簡(jiǎn)稱：模型預(yù)測(cè)值)二者進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖3。從圖中可知：巖-砼界面剪切力的模型預(yù)測(cè)值不論從數(shù)值大小亦或是變化趨勢(shì)上均與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的吻合程度高。此外，文中也繪制得到巖-砼界面剪切力試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值的誤差分析圖，見圖4。從中可明顯觀察到：基于式(3)的巖-砼界面剪切力模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值二者均包含在±15 %的相對(duì)誤差范圍內(nèi)，證明了式(3)預(yù)測(cè)結(jié)果的精度。

3 結(jié)論

本文通過開展飽和軟巖-混凝土界面剪切試驗(yàn)研究，詳細(xì)分析了巖-砼界面剪切力隨位移的變化規(guī)律，建立了無因次化的巖-砼界面剪切力預(yù)測(cè)模型，結(jié)論如下：(1) 隨著巖-砼界面位移的增加，界面剪切力呈現(xiàn)出“先增、后減、終平”的變化規(guī)律，飽和軟巖-混凝土界面的力學(xué)特性符合樁側(cè)摩阻力的“后期退化型”特征；(2) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了樁側(cè)摩阻力退化模型一般數(shù)學(xué)表達(dá)式中的計(jì)算參數(shù)a′=0.378、b′= 0.091、c′=0.553，建立無因次化的巖-砼界面剪切力預(yù)測(cè)模型；(3) 經(jīng)對(duì)比分析，巖-砼界面剪切力的模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值二者之間的相對(duì)誤差在±15 %的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的正確性。