CN107063791B - 崩解软岩与混凝土粘结特性的试验方法及测试试样 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种崩解软岩与混凝土粘结特性的试验方法及测试试样。该试验步骤包括：试样制作、试样与仪器的安装、测试加载和数据处理等，测试试样是在长方体状或圆柱体状软岩块的四周浇筑有与软岩块粘结为一体结构的混凝土块。试验方法则是将经过干燥处理或饱水处理后的测试试样放置在承接垫块上，然后通过加载柱施加载荷，并记录不同时刻的加载荷值P以及软岩块与混凝土块的粘结滑动位移值S，直至软岩块与混凝土块的交界面剪切破坏，从而可获得软岩崩解之后软岩块与混凝土的粘结特性和剪切强度数据。本发明有效的解决了易软化或崩解软岩与混凝土粘结特性室内测试的难题，此外本试验易于操作、制样成功率高，并且测试数据客观、准确。

Description

崩解软岩与混凝土粘结特性的试验方法及测试试样
技术领域
本发明属于岩土工程领域，具体是涉及一种崩解软岩与混凝土粘结特性的试验方法及测试试样
背景技术
在桩基础工程领域中，研究岩体与桩基础交界面的剪切特性及摩擦性能对桩基础的种类选择和设计有重要的指导意义。对于现存的测试岩石与混凝土交界面剪切特性的方法主要有以下两种：1.制作空心岩石试样，在空心岩石试样的空腔内充填混凝土测试试样，制成测试试样，之后通过压力机剪切；2.制作成岩石与混凝土单面搭接的测试试样，同样之后通过压力机剪切等。
崩解软岩在我国分布比较广泛，约占全国陆地总面积的8.61％，是土木工程建设中不可避免的一类岩土体。崩解软岩属于古生代沉积岩，主要由石英、长石等矿物组成，决定其物理力学特性的主要是粘土矿物，粘土矿物是粘结不同晶体矿物的胶结物，主要类型有蒙脱石、针铁矿、伊利石等。蒙脱石由于其特有的微膨胀性，使得软岩在干燥状态下对其扰动，内部极其容易断裂，高温条件下容易开裂、软化，遇水容易软化或崩解，相对于其他岩石而言，其物理力学性质特殊。由崩解软岩的力学特性可知，采用以往的测试坚硬岩石的方法并不能适用于崩解软岩与混凝土交界面剪切特性的试验，如崩解软岩不能用机械设备制作出空心岩样的形状，因为在制作过程中，机械的微小振动将会导致软岩断裂；若采用在软岩中浇筑混凝土，会因浇筑混凝土时与软岩的崩解反应使岩样在未测试前破坏而造成试验无法进行。比如中国专利文献CN 201610255076A公开了一种测试岩石与混凝土粘结界面抗剪强度的方法，该方法中采用在空心岩石中浇筑混凝土形成测试试样，这种试验方法对于软岩，尤其是遇水崩解类软岩来说显然无法适用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于测试崩解软岩与混凝土粘结特性的测试试样，本发明中的测试试样尤其适用于测试软岩遇水软化或崩解之后岩石与混凝土之间的粘结特性。
为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种崩解软岩与混凝土粘结特性的测试试样，包括长方体状或圆柱体状的软岩块，所述软岩块的四周浇筑有与软岩块粘结为一体结构的混凝土块，所述混凝土块浇筑后形成含有容纳所述软岩块的空心腔。
优选的，所述混凝土块轮廓呈长方体状或圆柱体状且与所述软岩块同轴布置。
优选的，所述软岩块、混凝土块的与剪切方向垂直的上端面位于同一水平面，所述软岩块、混凝土块的与剪切方向垂直的下端面位于同一水平面。
优选的，所述混凝土块的强度大于所述软岩块的强度。
优选的，测试试样的制备过程包括以下步骤：
S1、制作软岩块：选取软岩粗品，先通过钢丝锯切割形成小块中间样品，S1步骤中的中间样品的长和宽相应的分别比长方体状所述软岩块的长和宽大2.0～3.0cm，所述中间样品的高比长方体状所述软岩块的高大2.0～4.0cm；再用美工刀将所述中间样品逐渐削成所述软岩块的尺寸，并将软岩块的周向侧面的表面处理平滑；
S2、将所述软岩块放入混凝土模具的正中心，沿着所述软岩块四周在所述混凝土模具中浇筑混凝土直至混凝土与所述软岩块高度一致为止；
S3、室温静置一段时间后待所述混凝土初凝后进行拆模，将拆模后的试块养护后获得所述测试试样。
优选的，S1步骤中，当用美工刀将所述中间样品逐渐削成所述软岩块后，采用泥刀对软岩块的周向侧面进行打磨光滑，所述泥刀的用来打磨软岩块的打磨面上设置有纵横交错的浅槽，所述浅槽的面积占泥刀打磨面面积的30～35％。
本发明还提供了一种前述崩解软岩与混凝土粘结特性的测试试样的试验方法，包括以下步骤：
测试准备：在测试仪平台放置带有筒状空腔的底部垫块,所述底部垫块的上侧设置有水平状的承接垫块,所述承接垫块中部设置有与底部垫块的筒状空腔相对应的通孔；再将经过干燥处理或饱水处理后的所述测试试样放置在所述承接垫块上，并使加载柱置于所述测试试样的上端面，所述底部垫块、承接垫块、测试试样、加载柱的轴线重合布置；
测试过程：通过所述加载柱由上向下对所述测试试样的上端面施加载荷，并记录不同时刻的加载载荷值P以及软岩块与混凝土块的粘结滑动位移值S，直至软岩块与混凝土块的交界面剪切破坏，继续测试并获得软岩崩解之后软岩块与混凝土的粘结特性和剪切强度数据；
测试数据处理：根据上述记录数据计算得到不同时刻软岩块与混凝土块之间的交界面粘结应力τ，所述τ＝P/4abL或τ＝P/πdL，其中所述a、b分别为当软岩块为长方体状时该软岩块端面的两个边长，所述d为当软岩块为圆柱体状时该软岩块端面的直径，所述L为软岩块与混凝土块粘结界面沿剪切方向的长度。
优选的，所述测试试样中的软岩块端面的尺寸大于所述加载柱端面的尺寸，所述底部垫块上的筒状空腔的直径以及承接垫块上的通孔的直径均大于所述测试试样中的软岩块端面的尺寸。
优选的，所述干燥处理是将测试试样放入烘箱里恒温105摄氏度烘干48h，取出冷却即可；所述饱水处理是将测试试样放入盛水器完全浸泡至饱水状态，取出即可。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明针对软岩易于软化崩解的特性，将软岩-混凝土剪切特性试验中所使用的测试试样按照混凝土包裹软岩的方式进行制作，可以有效避免所述软岩块在测试试样制备过程中发生断裂破坏或者崩解，制备得到的测试试样中软岩块结构完整，最大限度地模拟了在天然软岩块中浇筑混凝土基础的模型，这也为后续的测试试样交界面剪切试验的顺利进行提供了保证，确保测试数据的准确性、客观性。
采用本发明中的制作方法能够方便快速地制备得到软岩-混凝土粘结试样，同时本发明的软岩-混凝土粘结试样所形成粘结交界面完整，从而为后面的粘结特性的测试创造了良好的条件。
(2)所述混凝土块与所述软岩块同轴布置以便于剪切试验过程中施加载荷时所述测试试样可以受力均匀，即保证了所述软岩块与混凝土块粘结交界面在沿剪切方向上的受力均匀。
所述软岩块、混凝土块的上下端面分别位于同一水平面，这样使得测试试样中软岩块的高度即为软岩块与混凝土块粘结界面沿剪切方向的长度，有利于提高试验测试过程中数据的准确性。
(3)本发明在对测试试样进行测试时，首先将测试试样放置在承接垫板上，所述承接垫板则放置在底部垫板上。由于承接垫板呈整体的板状，且本身呈水平状，所以承接垫板能够对测试试样的底部端面起到较好的、全面的承接，从而有利于保证后续测试的准确性和精确性。
(4)本发明在制备软岩块时，采用了美工刀和泥刀对软岩块进行最后的打磨处理，既可以将软岩块的表面打磨光滑，也减少了在制样过程中对软岩块表面的损伤，防止了软岩的崩解，有效地保证了软岩块的整体性。
相较于现有技术中的机械加工方法难以制备规则形状的遇水崩解的软岩岩样，本发明中的软岩制备方法不但能够获得完整的软岩块，而且制备效率也较高。
(5)本发明可以开展软岩在干燥与潮湿环境下与混凝土交界面的剪切特性研究。通过该试验方法可以得到软岩崩解特性对与混凝土桩基础交界面的剪切特性及摩擦性能的影响，尤其是可以测试得到崩解软岩崩解之后的软岩-混凝土粘结特性和剪切强度数据，这对工程技术人员做出了对桩基础的种类选择和设计有着重要的指导意义。
附图说明
图1为测试试样的俯视图。
图2为本发明剪切试验装置结构示意图。
图3为垫块C的俯视图。
图4为测试试样1的交界面黏结应力τ-粘结滑动位移值S曲线。
图5为测试试样2的交界面黏结应力τ-粘结滑动位移值S曲线。
图6为测试试样3的交界面黏结应力τ-粘结滑动位移值S曲线。
图7为测试试样4的交界面黏结应力τ-粘结滑动位移值S曲线。
附图中标记的含义如下：
A-软岩块 B-混凝土块 C-底部垫块 D-平台 E-加载柱
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：
实施例1
软岩-混凝土测试试样的制备：
S1、制作软岩块：选取软岩粗品，先通过钢丝锯切割形成小块中间样品，使得所述中间样品的长和宽相应的分别比长方体状所述软岩块A的长和宽大2.0～3.0cm，所述中间样品的高比长方体状所述软岩块A的高大2.0～4.0cm，再用美工刀将所述中间样品逐渐削成软岩块A的尺寸，当中间样品的尺寸接近软岩块A的尺寸时，比如中间样品的尺寸比软岩块A的尺寸大于1-2mm时，采用泥刀对软岩块A的周向侧面进行打磨光滑，所述泥刀的用来打磨软岩块A的打磨面上设置有纵横交错的浅槽，所述浅槽的面积占泥刀打磨面面积的30～35％；泥刀的打磨处理较好地保证了软岩块A的表面削得光滑水平。该软岩块A制作方式便于获得满足尺寸要求的软岩块，同时也能避免软岩块A在加工过程中因受力过大而产生破坏崩解。
S2、将所述软岩块A放入混凝土模具的正中心，沿着所述软岩块A四周在所述混凝土模具中浇筑混凝土直至混凝土与所述软岩块高度一致为止；
S3、室温静置一段时间后待所述混凝土初凝后进行拆模，将拆模后的试块室内养护后获得所述测试试样。
所述测试试样如图1所示，包括长方体状软岩块A，所述软岩块A的四周浇筑有与软岩块A粘结为一体结构的混凝土块B，所述混凝土块B浇筑后形成含有容纳所述软岩块A的空心腔。所述混凝土块B轮廓呈长方体状且与所述软岩块A同轴布置。所述软岩块A、混凝土块B与剪切方向垂直的上端面位于同一水平面，所述软岩块A、混凝土块B与剪切方向垂直的下端面位于同一水平面。当然所述软岩块A、混凝土块B也可以制作成圆柱体状，根据试验条件进行随意选择。
实施例2-1
选择两组不同的软岩制备得到测试试样1与测试试样2进行交界面剪切特性试验，所述测试试样1与测试试样2中软岩块A与混凝土块B均为长方体状，软岩块A端面的形状为正方形，具体测试过程如下：
测试准备：在如图2所示的测试仪平台D放置带有筒状空腔的底部垫块C,所述底部垫块C的上侧设置有水平状的承接垫块,所述承接垫块中部设置有与底部垫块C的筒状空腔相对应的通孔；再将经过105℃干燥处理后的所述测试试样放置在所述承接垫块上，并使加载柱E置于所述测试试样的上端面，所述底部垫块C、承接垫块、测试试样、加载柱E的轴线重合布置；
所述测试试样端面的软岩块端面的边长比所述加载柱E端面的直径大4.0～6.0mm，所述垫块上的筒状空腔的直径以及承接垫块的通孔的直径比所述测试试样中的软岩块端面的边长大6.0～8.0mm。
测试过程：通过所述加载柱E由上向下对所述测试试样的上端面施加载荷，并记录不同时刻的加载载荷值P以及软岩块A与混凝土块B的粘结滑动位移值S，直至软岩块A与混凝土块B的交界面剪切破坏，然后，继续测试并获得软岩崩解之后软岩块与混凝土的粘结特性和剪切强度数据；所述测试过程中软岩块A与混凝土块B的粘结滑动位移值S每增加0.2mm则记录一次加载载荷值P。
测试数据处理：根据上述记录数据计算得到不同时刻软岩块A与混凝土块B之间的交界面粘结应力为τ＝P/4d1l。
试验中得到两组测试试样交界面粘结应力τ与粘结滑动位移值S关系曲线如图3、4所示。
实施例2-2
再选择两组不同的软岩制备得到测试试样3与测试试样4进行交界面剪切特性试验，与所述实施例2-1不同的时，所述测试试样在试验前进行饱水处理，其他试验过程同上。
试验中得到两组测试试样交界面粘结应力τ与粘结滑动位移值S关系曲线如图5、6所示。
由图3、4、5、6可知，交界面黏结应力τ-粘结滑动位移值S曲线大致包括三个部分，即弹性阶段、软化阶段、摩擦阶段。弹性阶段主要为岩石与混凝土界面的化学胶合力，此阶段交界面黏结应力随粘结滑动位移增加而增加，且几乎呈线性增长，最高点交界面黏结应力即为黏结强度。之后，随着粘结滑动位移的继续增加，交界面黏结应力不断下降，进入软化阶段，此过程中交界面黏结应力已经达到黏结强度，随着粘结滑动位移进一步的增加，界面的化学胶合力遭受破坏，交界面黏结应力不断降低直至消失。随后进入摩擦阶段，随着粘结滑动位移值的再次增加，软岩与混凝土交界面主要为残余摩擦应力，且残余摩擦应力保持不变，直至软岩块被从混凝土块的空腔中压出。
根据试验记录及曲线图可得四块软石-混凝土测试试样的黏结强度，曲线图最高点黏结应力即为黏结强度，整理试验数据得到表1。
表1崩解性软岩-混凝土测试试样的黏结强度
Figure GDA0001280550080000071
本发明可以针对不同自然条件下的软岩进行软岩-混凝土的交界面剪切试验研究，试验方法简单，易于操作控制。

Claims (7)

1.一种崩解软岩与混凝土粘结特性的测试试样，其特征在于：包括长方体状或圆柱体状的软岩块（A），所述软岩块（A）的四周浇筑有与软岩块（A）粘结为一体结构的混凝土块（B），所述混凝土块（B）浇筑后形成含有容纳所述软岩块（A）的空心腔；
测试试样的制备过程包括以下步骤：
S1、制作软岩块（A）：选取软岩粗品，先通过钢丝锯切割形成小块中间样品，S1步骤中的中间样品的长和宽相应的分别比长方体状所述软岩块（A）的长和宽大2.0～3.0cm，所述中间样品的高比长方体状所述软岩块（A）的高大2.0～4.0cm；再用美工刀将所述中间样品逐渐削成所述软岩块（A）的尺寸，并将软岩块（A）的周向侧面的表面处理平滑；
S2、将所述软岩块（A）放入混凝土模具的正中心，沿着所述软岩块（A）四周在所述混凝土模具中浇筑混凝土直至混凝土与所述软岩块（A）高度一致为止；
S3、室温静置一段时间后待所述混凝土初凝后进行拆模，将拆模后的试块养护后获得所述测试试样；
S1步骤中，当用美工刀将所述中间样品逐渐削成所述软岩块（A）后，采用泥刀对软岩块（A）的周向侧面进行打磨光滑，所述泥刀的用来打磨软岩块（A）的打磨面上设置有纵横交错的浅槽，所述浅槽的面积占泥刀打磨面面积的30～35%。
2.如权利要求1所述的测试试样，其特征在于：所述混凝土块（B）轮廓呈长方体状或圆柱体状且与所述软岩块（A）同轴布置。
3.如权利要求1所述的测试试样，其特征在于：所述软岩块（A）、混凝土块（B）的与剪切方向垂直的上端面位于同一水平面，所述软岩块（A）、混凝土块（B）的与剪切方向垂直的下端面位于同一水平面。
4.如权利要求1所述的测试试样，其特征在于：所述混凝土块（B）的强度大于所述软岩块（A）的强度。
5.一种如权利要求1～4任一项所述崩解软岩与混凝土粘结特性的测试试样的试验方法，包括以下步骤：
（1）测试准备：在测试仪平台（D）放置带有筒状空腔的底部垫块（C）,再将经过干燥处理或饱水处理后的所述测试试样放置在所述承接垫块（C）上，并使加载柱（E）置于所述测试试样的上端面，所述底部垫块（C）、测试试样、加载柱（E）的轴线重合布置；
（2）测试过程：通过所述加载柱（E）由上向下对所述测试试样的上端面施加载荷，并记录不同时刻的加载载荷值P以及软岩块（A）与混凝土块（B）的粘结滑动位移值S，直至软岩块（A）与混凝土块（B）的交界面剪切破坏；对于饱水处理后的测试试样此时即得到崩解试样，继续测试即可获得软岩崩解之后软岩块与混凝土的粘结特性和剪切强度数据；
测试数据处理：根据上述记录数据计算得到不同时刻软岩块（A）与混凝土块（B）之间的交界面粘结应力τ，所述τ=P/4abL或τ=P/πdL，其中所述a、b分别为当软岩块（A）为长方体状时该软岩块（A）端面的两个边长，所述d为当软岩块（A）为圆柱体状时该软岩块（A）端面的直径，所述L为软岩块（A）与混凝土块（B）粘结界面沿剪切方向的长度。
6.如权利要求5所述的试验方法，其特征在于：所述测试试样中的软岩块端面的尺寸大于所述加载柱（E）端面的尺寸，所述底部垫块（C）上的筒状空腔的直径大于所述测试试样中的软岩块端面的尺寸。
7.如权利要求5所述的试验方法，其特征在于：所述干燥处理是将测试试样放入烘箱里恒温烘干，取出冷却即可；所述饱水处理是将测试试样放入盛水器完全浸泡至饱水状态，取出即可。
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