接縫材料及接縫類型對表觀黏聚力的影響研究

劉恒博

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

在重力壩中有3種類型的接縫會聚集剪切應力[1]：貫穿巖體的巖石-巖石接縫；巖石-混凝土接縫；混凝土-混凝土升降縫。目前，已對無粘結巖石接縫的剪切行為[2-4]進行了廣泛研究，普遍認為粗糙度和風化等參數(shù)會影響接縫抗剪強度和性能[5-6]。近年來，大多數(shù)研究主要集中在復合材料接縫的性能上，進而促進了剪切行為準則的發(fā)展。但這些材料為粘結接縫或具有低強度材料的人工完美互鎖齒形表面，不能直接用于大壩設計。

為了簡化實際應用，巖石力學指南建議使用莫爾-庫侖準則來評估無粘結巖石接縫的抗剪強度，大壩設計指南中也建議使用莫爾-庫侖準則來評估結構接縫的抗剪強度。莫爾-庫侖準則中考慮了兩個不同的黏聚力概念：由接縫壁之間的化學粘結產生的真實黏聚力和表觀黏聚力(CAPP)。表觀黏聚力是通過直接剪切試驗獲得的，對給定正常荷載區(qū)間下記錄的抗剪強度進行線性回歸?？够瑒影踩禂?shù)(SF)使用等式(1)進行估算：

(1)

式中，C—黏聚力，kPa；A—壩基面積，m2；σN—法向應力，kPa；φ—摩擦角，(°)；τ—合成剪切力，MPa。在設計重力壩時，將接縫視為無邊界。因此，可用于SF計算的黏聚力為表觀黏聚力。但只有在直接剪切試驗證明這種表觀黏聚力存在的情況下，表觀黏聚力才能用于SF計算。然而，實踐中通常建議重力壩設計時考慮較低的表觀黏聚力值或零黏聚力值。

低法向應力條件下巖石接縫粗糙度和其他影響剪切特性的參數(shù)都會影響表觀黏聚力值，本研究的目的是評估重力壩在低法向應力下材料力學性能(強度和剛度)對表觀黏聚力值的影響。為此，介紹并比較了在低法向應力(100～1000kPa)下對巖石接縫試件進行的24次直接剪切試驗結果?；谥苯蛹羟性囼灲Y果，評估了在給定的正常荷載區(qū)間內莫爾-庫侖破壞包絡線和抗剪強度參數(shù)(表觀黏聚力和摩擦角)，比較了表觀黏聚力值與巖石節(jié)理力學性能的關系。本文的創(chuàng)新點在于：①采用3種不同的砂漿澆筑巖石節(jié)理模型試件(單軸抗壓強度(UCS)范圍為27～165MPa)；②以天然、粗糙、開放的巖石接縫為研究對象，而不是人工和完全互鎖的齒狀接縫；③比較了均勻接縫和復合接縫的抗剪性能和抗剪強度參數(shù)。

1 試驗研究過程

1.1 試驗設置

本研究側重于接縫材料的力學性能對無粘結接縫情況下表觀黏聚力的影響，因此每次試驗所使用試件要保持相同水平的粗糙度。采用3種不同類型的砂漿，同一硅石模具中鑄造24個試件(長10cm×寬10cm×高5cm)。圖1描述了從初始花崗巖露頭到準備試驗試件的過程。硅模具(圖1中的硅模具A)由具有自然粗糙度的初始花崗巖露頭制成，再使用模具A來制造相對巖壁模具(圖1中的硅模具B)。在這一步中，天然花崗巖接縫的兩個巖壁都用硅模制成。然后使用模具A和B和給定的砂漿澆鑄復制墻。澆鑄后，對整個花崗巖接縫試件進行固化，以達到砂漿的最大抗壓強度。固化完成后，試件即可用于直接剪切試驗。

圖1 從初始露頭到最終準備試驗試件的過程

為了模擬低、中、高強度材料的力學性能，所使用的3種砂漿表現(xiàn)出截然不同的力學性能。本文使用18個試件模擬均勻接縫，如巖石-巖石接縫(即試件墻具有相同的力學性能)；6個試件模擬復合接縫(一個低強度墻和一個高強度墻)，如壩基界面處的巖石-混凝土接縫。

1.2 粗糙度分析

為了獲得花崗巖露頭粗糙度的具體數(shù)據，使用非接觸式輪廓儀對其進行掃描。然后將掃描得到的數(shù)據輸入到專門設計的算法中，該算法通過幾個二維統(tǒng)計參數(shù)將表面形態(tài)與接縫粗糙度系數(shù)(JRC)聯(lián)系起來。非接觸式輪廓儀裝置和粗糙度算法計算步驟如下：

(1)掃描得到的原始數(shù)據文件以0.5mm的采樣間隔進行網格劃分(圖2為掃描后花崗巖的數(shù)值重建)；

圖2 花崗巖露頭的數(shù)字化視圖(箭頭表示未來的剪切方向)

(2)在寬度為5mm的邊緣周圍，數(shù)據被擱置以避免可能的邊緣效應(保留80%的初始表面)；

(3)平行于剪切方向生成160個輪廓(每個0.5mm)；

(4)對每個輪廓估計不同的統(tǒng)計粗糙度參數(shù)：粗糙度的平均傾角Ai，一階導數(shù)Z2的均方根，粗糙度指數(shù)分布RP，最大輪廓高度差k；

(5)為便于解釋這些參數(shù)，還提供了表面的JRC值，JRC由上述統(tǒng)計參數(shù)計算，采樣間隔為0.5mm；

(6)然后將160個輪廓所得值取平均值，以描述整個表面粗糙度。表1列出了花崗巖露頭的不同統(tǒng)計粗糙度參數(shù)值?；◢弾r露頭JRC值為15.2。

表1 花崗巖露頭粗糙度統(tǒng)計參數(shù)值

1.3 砂漿特性

用于鑄造試件的3種非收縮砂漿力學性能見表2。對于每種材料，制作了16個圓柱形樣品(100mm×200mm)：6個用于確定UCS參數(shù)(單軸抗壓強度)，3個用于確定楊氏模量E，3個用于確定基于劈裂拉伸試驗的拉伸強度σt。其余4個樣品被鋸切并在平面上進行直接剪切試驗，以獲得基本摩擦角φB。

表2 砂漿材料力學性能

3種砂漿的力學性能不同。第一種砂漿(Ⅰ)接近于土木工程中使用的低強度材料，如粉砂巖或普通混凝土；第二種砂漿(Ⅱ)具有更高的力學性能值，類似于砂巖或大理石；第三種砂漿(Ⅲ)專門用于獲得良好的力學性能，類似于花崗巖和片麻巖等結晶巖石。砂漿Ⅰ和Ⅱ是砂-水泥混合物，而砂漿Ⅲ是石英砂、水泥、硅灰、玻璃粉和水的混合物。用砂漿澆筑了24個復制品：18個用于再現(xiàn)巖石-巖石或混凝土-混凝土大壩接頭的均勻接縫稱為Ⅰ/Ⅰ(6)、Ⅱ/Ⅱ(6)和Ⅲ/Ⅲ(6)，6個用于再現(xiàn)大壩巖石-混凝土基礎接觸的復合接縫，稱為Ⅰ/Ⅲ。將砂漿Ⅰ和Ⅱ樣品放置在潮濕的房間28d；砂漿Ⅲ樣品首先在90℃的水熱固化中放置2d，然后再在潮濕的房間中放置26d。以相同方式處理用于評估砂漿力學性能的巖石接縫砂漿試件和圓柱形樣品。

1.4 直接剪切試驗裝置

直接剪切試驗采用了液壓材料試驗系統(tǒng)(MTS)和容量為3000kN的伺服控制壓力機。如圖3所示，接縫1是嵌入剪力箱3中的兩個巖壁2之間的接觸。剪切試驗期間，下部剪切箱(左側)向上移動，而另一個剪切箱(右側)保持靜止并固定在液壓機框架上。通過液壓千斤頂4水平施加法向載荷N，由測力傳感器7記錄，并由計算機控制以在整個試驗期間保持恒定(恒定法向載荷(CNL)剪切試驗)。剪切載荷T由液壓千斤頂4垂直施加，并由另一個測力傳感器6記錄。輥道系統(tǒng)8允許整個機構垂直移動，而沒有任何剩余旋轉。此外，還使用安裝在系統(tǒng)上的2個線性可變差動變壓器(LVDT)記錄法向和切向位移。

圖3 用于直接剪切試驗的實驗裝置視圖

剪切試驗在CNL條件下進行，法向應力設置為100、200、350、600、800、1000kPa，對應于大壩地基中觀察到的法向應力。剪切速率設置為0.1mm/min，并在切向位移達到3mm后停止測試。記錄試驗過程中的時間、法向和切向位移、法向和剪切載荷。τ峰值是記錄的最大抗剪強度，τ峰后值是針對從峰值位移到試驗結束的切向位移確定的平均峰后值抗剪強度。

2 試驗結果

2.1 直接剪切試驗

圖4顯示了每個剪切試驗的剪切應力τ與剪切位移ΔU的曲線。接縫試件具有相同的粗糙度，只有試件巖壁的材料不同。

圖4 不同法向載荷所有接縫試件的抗剪強度—剪切位移曲線((a)100kPa；(b)200kPa；(c)350kPa；(d)600kPa；(e)800kPa；(f)1000kPa)

所有試件(均勻接縫Ⅰ/Ⅰ、Ⅱ/Ⅱ和Ⅲ/Ⅲ和復合接縫Ⅰ/Ⅲ)的剪切行為表現(xiàn)出相似性。剪切試驗開始后，剪切應力迅速增加到最大值τ峰值。當達到接縫抗剪強度后，剪切應力會略微降低，直到剪切試驗結束后達到峰后值τ峰后值。通過直接剪切試驗得到的峰值和峰后值抗剪強度值見表3。

表3 與直接剪切試驗相關的試驗峰值和峰后值抗剪強度

由表3可知，法向載荷越高，接縫試件剪切應力越高。如在100～1000kPa法向載荷內，均勻接縫Ⅱ/Ⅱ的峰值抗剪強度范圍為0.24～1.47MPa，峰后值抗剪強度范圍為0.22～1.34MPa。圖4顯示了接縫材料強度對剪切性能的影響。對于均勻接縫(Ⅰ/Ⅰ、Ⅱ/Ⅱ和Ⅲ/Ⅲ)上進行的所有剪切試驗，接縫材料強度對抗剪強度的影響很小?？辜魪姸扔幸欢ǖ淖兓?，但所有的抗剪強度值都在同一個數(shù)量級上。例如，在1000kPa下剪切試驗得到的峰值和峰后值抗剪強度值，接縫Ⅰ/Ⅰ為1.45MPa，接縫Ⅱ/Ⅱ為1.47MPa，接縫Ⅲ/Ⅲ為1.48MPa；接縫Ⅰ/Ⅰ的峰后值為1.32MPa，接縫Ⅱ/Ⅱ為1.34MPa，接縫Ⅲ/Ⅲ為1.35MPa。此外，復合接縫(Ⅰ/Ⅲ)的剪切行為與均勻接縫Ⅰ/Ⅰ和Ⅲ/Ⅲ的剪切行為相似。復合接縫Ⅰ/Ⅲ的峰值和峰后值抗剪強度值與均勻接縫Ⅰ/Ⅰ和Ⅲ/Ⅲ的結果具有相同數(shù)量級。

結果也表明，抗剪強度可能會隨砂漿力學性能的變化而略有增加。加之材料強度對剪切行為的影響可能與實驗方案有關，因此，本研究中進行的直接剪切試驗可能僅涉及滑動機制而非剪切機制，接縫粗糙周圍沒有斷裂機制，只有滑動機制發(fā)生(剪切曲線上沒有明顯的峰值抗剪強度，剪切應力增加到準平臺值)。這也就解釋為什么復合接縫(Ⅰ/Ⅲ)的抗剪強度值與均勻接縫(Ⅰ/Ⅰ、Ⅱ/Ⅱ和Ⅲ/Ⅲ)的抗剪強度值相似。

2.2 莫爾-庫侖失效包絡：表觀黏聚力和摩擦角值

對于每一個接縫，失效包絡線是非常相似的。表觀黏聚力估計值分別為70kPa(Ⅰ/Ⅰ)、109kPa(Ⅱ/Ⅱ)、103kPa(Ⅲ/Ⅲ)、112kPa(Ⅰ/Ⅲ)(見表4)。接縫Ⅰ/Ⅰ、Ⅱ/Ⅱ、Ⅲ/Ⅲ、Ⅰ/Ⅲ的摩擦角分別為51°、54°、53°、54°。莫爾-庫侖失效包絡和抗剪強度參數(shù)估值(表觀黏聚力和摩擦角)在本研究中考慮的正常載荷區(qū)間(100～1000kPa)是有效的。

表4 獲得的表觀黏聚力和摩擦角值

研究表明，隨著砂漿強度的增加，表觀黏聚力可能會增加。表觀黏聚力值范圍為70～112kPa，隨著砂漿強度的增加而逐漸增加(接縫Ⅰ/Ⅰ-Ⅲ/Ⅲ)。摩擦角也有類似的趨勢，從51°逐漸增加到54°(接縫Ⅰ/Ⅰ-Ⅲ/Ⅲ)。這些表觀黏聚力值和摩擦角適用于本研究中考慮的正常荷載區(qū)間(100～1000kPa)。在更大范圍的法向應力范圍內(從0到大于1000kPa)，預計會觀察到非線性行為和拐點，這取決于接縫性能(粗糙度、材料力學性能等)。本研究中材料強度對表觀黏聚力和摩擦角的影響相對較小，這可能也與上述實驗方案有關。

3 結語

(1)對于均勻接縫，材料強度的較大變化會導致抗剪強度和性能(峰值和峰后值)的輕微變化。

(2)在直接剪切試驗期間砂漿接觸強度存在很大差異，但復合接縫的抗剪強度和性能與均勻接縫相當。

(3)在本文考慮的法向載荷區(qū)間下，接縫材料強度變化較大或接縫類型對表觀黏聚力無顯著影響，獲得的表觀黏聚力值有相同數(shù)量級。

(4)本文中材料強度或節(jié)理類型(均勻或復合)對剪切行為、剪切強度、表觀黏聚力和摩擦角的有限影響可能是由于使用的低法向應力條件，類似于在重力壩設計中發(fā)現(xiàn)的情況。接下來的研究中可提高法向應力值來進一步研究。