《考虑锯齿状节理的桩岩界面模型试验》
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摘 要：針对嵌岩灌注桩嵌入软弱岩层的工况,考虑成桩过程中桩岩界面的剪胀效应,采用常法向刚度边界条件（CNS）模拟软岩对桩身的侧向变形约束,开展了模拟桩岩界面侧阻力发挥的室内大尺寸直剪模型试验.将桩-岩接触面的粗糙体简化为规则的三角形锯齿,根据不同的半波长分别制作了砂岩和混凝土试样,得到了剪切荷载、剪切位移、法向荷载和法向位移之间的关系曲线.试验结果表1明,软岩锯齿的法向剪胀角随着剪切位移的增加呈非线性减小,且界面抗剪强度的发挥与法向约束刚度、粗糙体半波长和剪切位移等密切相关;同时,在考虑软岩表1面锯齿的弹性压缩对界面剪胀角影响的基础上,采用幂函数拟合了软岩抗剪强度的经验关系式.最后,将试验结果与现有理论模型结果对比,表1明了现有模型忽略桩岩界面剪胀角的非线性变化将高估嵌岩灌注桩侧阻力的发挥,这在实际工程中将偏于不安全.
关键词：桩基础;破坏;桩岩界面;大尺寸直剪试验;常法向刚度
中图分类号：TU443文献标志码：A
LaboratoryTestingStudyonConcrete-rockInterfacewithSawtoothJoint
ZHAOMinghua?,XIABoyang,ZHAOHeng
（GeotechnicalEngineeringInstitute,HunanUniversity,Changsha410082,China）
Abstract：Inconsiderationoftheweakrockconditionsofrock-socketedpilesandtakingthedilatancyoftheinterfaceintoaccount,theconstantnormalstiffnessconditions（CNS）wereappliedtosimulatethelateralconstraintsprovidedbyweakrock,andlaboratorymodeltestswereconductedtoinquirethemobilizationofthesideresistance.Theasperityoftheconcrete-rockinterfacecanbeidealizedasregularsawtoothasperities,andsandstoneandconcretespecimensweremanufacturedwithdifferenthalf-chordlengths,respectively.Therelevantmeasurementswereobserved,suchasshearload,sheardisplacement,normalloadandnormaldisplacement.Inaddition,theobservationsshowedthatthedilatancyangleoftheinterfacegraduallydecreasedwiththedevelopmentofsheardisplacement.Theshearstrengthofinterfaceiscloselyrelatedwiththenormalconstantstiffnessandthehalfchordoftheroughbodyaswellasthesheardisplacement.Basedontheconsiderationofelasticcompressionoftheasperity,theempiricalrelationshipfortheshearstrengthofweakrockwaittedbypowerfunctions.Ontheotherhand,theobservationswerecomparedwiththepredictionsofanexistingtheoreticalmodel,anditwasshownthatthetheoreticalmodelcanoverestimatethesideresistanceoftherock-socketedpiles,duetothedisregardofnonlinearvariationofthedilatancyangle.
2试样制备及试验方法
为研究混凝土-岩石剪切过程中刚度的变化对剪切性能的影响,作者进行了一系列工况下的混凝土-岩石两相介质的常法向刚度直剪试验.试验采用湖南省某高速公路桥梁桩基现场钻取的砂岩,由常规三轴试验测得砂岩的各项指标见表11.
利用岩石切割机制作尺寸为340mm×100mm×100mm的长方体砂岩试样,其中起伏锯齿段为300mm,试样两侧各有20mm的光滑平面,以减少试验中可能对试样端侧锯齿产生应力集中的不利影响.试样根据半波长长度分为两种,分别为λ等于10mm和λ等于7.5mm,起伏角均为30°.制作混凝土试块时,将砂岩试样接触面朝上,并在其表1面铺一层紧贴的塑料薄膜,随后置于预制的浇筑模具底部,以其砂岩的锯齿面作为混凝土模具底面,在其上浇筑混凝土.在浇筑的过程中分层填料,充分攪拌,振捣,使混凝土充分填充在砂岩锯齿间并接触紧密,同时接触面之间预先放置的塑料薄膜保证混凝土不与砂岩发生黏结.24h后拆模,之后进行28d的混凝土养护.为了使混凝土在浇筑过程中与砂岩锯齿接触更为贴合,本文选用最大粒径小于5mm的碎石子作为骨料填充,水泥采用#42.5普通硅酸盐水泥,沙子采用细砂,采用C30混凝土配合比,配合比为1∶0.42∶1.21∶2.83.最终混凝土试件与砂岩试件之间形成了相互咬合的接触面,养护完成后,砂岩和混凝土的试件照片如图2所示.
试验仪器为湖南大学自主改造的岩石大尺寸直剪仪.水平和法向的加载装置采用富力通达多通道协调系统加载,并在法向加载伺服作动器端部附加了一个弹簧盒,弹簧盒最多可并联8根弹簧提供法向刚度,试验前对弹簧进行标定,获得其实际弹簧刚度.在法向伺服作动器施加一定初始应力后,施加剪切荷载,由于剪胀效应导致弹簧盒受到压缩变形,通过弹簧变形所提供的反力来模拟桩-岩接触面中的法向刚度条件.法向弹簧盒如图3所示,仪器示意图如图4所示.试验人员可直接观察试验进程,并在一旁架设高清摄影机,记录全程接触面变化情况并作分析.
本试验采用水平剪切方式,采用不同弹簧组合,使弹簧盒刚度分别接近K等于200kPa/mm和K等于400kPa/mm,试件在初始法向应力σ0等于200kPa和不同法向刚度的工况下进行剪切试验.试验中,将混凝土和砂岩试样置于剪切盒内,并使法向加载与剪切加载的作用力方向通过预定剪切面的几何中心.根据ASTM（D5607—08）规程[13],试验实行分步加载,首先,法向作动器对试件以10kPa/min的恒定速率施加法向荷载至200kPa后停止加载并保持;然后,启动水平作动器,以恒定的剪切速率0.5mm/min施加剪切荷载,同时在电脑终端观察剪切荷载-剪切位移曲线,当剪切荷载达到峰后稳定状态时（即残余剪切强度）终止加载.
3试验结果与分析
3.1试验结果
软岩-混凝土常法向刚度剪切试验分别记录剪切荷载-水平位移、法向位移-水平位移、法向荷载-剪切荷载、法向荷载-法向位移的数值,如图5所示.剪切完成后的砂岩和混凝土试件照片如图6所示.
3.2试验结果分析
本文选取法向刚度K等于400kPa/mm,半波长λ等于7.5mm与半波长λ等于10mm的试样剪切荷载-水平位移如图7所示.由图7可发现,从剪切开始到小波长试样破坏前,半波长的变化对试样抗剪强度影响较小,二者抗剪强度相近;但是,随着剪切位移的进一步增加,λ等于7.5mm试样达到峰值抗剪强度所需的剪切位移小于λ等于10mm试样.在达到峰值强度后,两组试样都呈现相同的变化趋势,即抗剪强度迅速降低,这表1明锯齿进入了剪断阶段.随后,抗剪强度进一步降低,直至达到残余抗剪强度并维持在一个固定的水平.由此可看出,在相同围岩性质条件下,提高粗糙面半波长可有效提高嵌岩桩的侧阻力.
本文分别选取K等于200kPa/mm和K等于400kPa
/mm的常法向刚度进行试验,得到其剪切荷载-剪切位移关系图如图8所示.可以看出,法向刚度对于剪切峰值荷载的影响较大.当法向刚度从200kPa提高为400kPa时,峰值剪切荷载从44.86kN提高至65.32kN.而临界剪切位移从7.12mm减小至6.39mm.可看出,提高法向刚度,可极大地提高峰值剪切荷载,并降低极限剪切位移,更快达到破坏位移.
上述关系存在的假设为试样是不可压缩的刚性体.然而对于抗压强度明显较弱的软岩而言,在剪胀的过程中,法向应力的增加将导致软岩锯齿被压缩,从而实际测量的剪胀位移y要远小于理论剪胀位移.此结果我们通过试验也得到了验证,本文选取了半波长λ等于10mm、法向刚度K等于400kPa/mm工况下实测法向剪胀位移和按式（3）所计算的法向位移,如图10所示.
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