冻融循环条件下岩石_喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究

冻融循环条件下岩石_喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究

冻融循环条件下岩石–喷射混凝土组合试样的力

学特性试验研究

项 伟，刘 珣

(中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074)

摘要：选取 2008 年极端冰雪受灾地区灰色砂岩，制作岩石与 C20 喷射混凝土组合试样，通过冻融循环试验、单 轴压缩试验、中/低不同围压三轴压缩试验、中/低不同轴压直剪试验及微观扫描试验系统研究岩石–喷射混凝土 组合试样的宏观物理力学性质及微观破坏机制。试验结果揭示研究对象在不同含水状态(干燥或饱和)、不同冻融 循环次数条件下的损伤模式、破坏准则及强度指标变化规律。在此基础上，建立冻融前后组合试样的损伤软化统 计本构模型。经与三轴压缩试验曲线对比，该本构模型能较真实地反映破坏的全过程，可靠性较高。 关键词：岩石力学；极端冰雪灾害；冻融；组合试样；破坏准则；本构模型 中图分类号：TU 45

文献标识码：A

文章编号：1000–6915(2010)12–2510–12

EXPERIMENT AL STUDY OF MECHANICAL PROPERTIES OF COMBINED SPECIMEN WITH ROCK AND SHOTCRETE UNDER

FREEZING-THA WING CYCLES

XIANG W ei ，LIU Xun

(Faculty of Engineering ，China University of Geosciences ，Wuhan ，Hubei 430074，China )

Abstract ：The gray sandstone from disaster area of extreme ice and snow in early 2008 is selected to make

the

combined specimen with gray sandstone and C20 shotcrete. Through different kinds of tests ，i.e. freezing-thawing cycling test ，uniaxial compression test ，triaxial compression test under medium and low confining pressures ，direct

shear test under medium and low axial pressures ，micro-scanning test ，the macroscopic physico-mechanical properties of combined specimen with rock and shotcrete and its micro-damage mechanism are both studied systematically . The test results reveal the damage mode ，failure criterion and variation of strength indices of the combined specimen with different water contents(dried or saturated) after different freezing-thawing cycles. Based on the above results ，the damage softening statistical constitutive models for combined specimen with rock and

shotcrete before and after freezing-thawing are established. By contrast with the curves of triaxial compression test ，the new damage softening statistical constitutive models can truly reflect the entire damage process and the models are considered to be reliable.

范围持续的极端冰雪灾害天气，湖南、湖北、安徽、 江西、广西、贵州等 20 个省(区、市)不同程度地受 灾，其影响范围之广、持续时间之长、强度之大、 灾害之重为历史罕见，对交通运输、能源供应、电

引 言

1 2008 年 1 月 10 日～

2 月 5 日，我国出现了大

收稿日期：2010–05–13；修回日期：2010–08–03 基金“十一五”国家科技支撑计划项目(2008BAC47B0X) 作者简介：项 伟(1953–)，男，1997 年于德国卡尔斯鲁厄大学环境地质工程专业获自然科学博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事大型水利 水电工程地质、岩土工程性质、地质灾害防治、遥感监测和环境地质工程方面的教学与研究工作。E-mail ：xiangwei@

第29 卷第12 期项伟，等. 冻融循环条件下岩石–喷射混凝土组合试样的力学特性试验研究• 2511 •

力传输、通讯设施、农业生产、人民群众生活造成

严重影响[1]。极端冰雪条件下，冰雪的形成和融化过程非常

容易引发大规模的次生地质灾害及工程事故。其根

本原因是当水渗入岩体及支护结构内部后在温度作

用下其状态在固相–液相间反复转换，水份体积的

变化导致岩体及支护结构内部裂隙和孔隙增大或减小，从而改变其应力状态，引起冻胀或融沉。同时，由于岩体及支护结构受冻融作用影响机制复杂、程度不一，在其相互作用面上应力分布必然发生改变，常见的相互作用面开裂、错动甚至脱落现象加速了地质体防护工程的破坏。2008 年极端冰雪灾

害不同于以往的一个特点就是灾害多发生在我

国中、南部地区，尤以湖南、广东、湖北等省份为重。而目前，国内外关于极端低温条件下的研究多集中

于冻土地区，研究热点是深层岩土体冻融问题，而对于浅层岩体(地面以下20 cm 以内)的冻融研究不

太重视，关于在非冻土地区发生极端低温天气事件

所引发的地质问题的相关研究成果更是鲜见报道。同时，极端冰雪条件下地质灾害防治设计标准及相关

规范尚属空白，且相关物理及力学试验方法、规程亦亟待制定与完善。

本文以受灾较重的湖北地区灰色砂岩为例，选取极端冰雪灾害气候条件下岩体与喷锚支护结构相互作用体为研究对象，制作了灰色砂岩与C20 喷射混凝土组合试样。首先，通过冻融循环试验分析总结出组合试样的冻融损伤模式，然后对经历冻融循环前后的组合试样分别进行了单轴压缩试验、中/ 低不同围压条件下三轴压缩试验及中/低不同轴压条件下胶结面剪切试验，得出组合试样的抗压强度指标、剪切强度指标、岩石–喷射混凝土胶结面处剪切强度指标及其破坏准则。其次，通过引入统计损伤理论，建立了冻融前后组合试样损伤软化统计本构模型。最后进行了SEM 微观扫描分析，深入揭示了冻融循环条件下组合试样的微观破坏过程及破坏机制。该砂岩为细粒砂状结构，呈浅灰色，岩性较均一，无原生节理或裂隙，且岩石强度不高，吸水性好、受冻融循环作用影响显著。所有岩样均取自公路旁自然边坡同一高程的新鲜出露大岩块，取样高程不超过自然地面以上10 m。

2.2 试样制

备

经

查

阅

《

公

路

路

基

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规

范

(

J

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D

3

–

2

、

《建筑地基基础设计规范》(GB50007–2002)、湖北省《基坑工程技术规程》(DB42/159–2004)等大量

工程设计规范，要求喷锚支护结构中喷射混凝土强度等级不宜低于C20(或C25)，混凝土厚度为80～120 mm。选取岩石沉积方向为厚度方向，将整块砂岩上下底面打磨至水平，并加工成规则形状，运至工地在其表面喷射一层厚100 mm 的C20 混凝土。喷射混凝土配合比为水泥∶水∶砂：石= 1.0∶2.5∶2.0∶1.5，材料采用425#普通硅酸盐水泥、干净河砂及级配良好的碎石(最大粒径不大于15 mm)。同时，现场制作一组150 mm×150 mm×150 mm 喷射混凝土抗压试块，以测定喷射混凝土实际抗压强度。上述组合试样体及混凝土试块在经历28 d 标准

养护后，先对喷射混凝土试块进行了单轴抗压试验，

试验测得其平均单轴抗压强度为20.55 MPa，满足规范要求。试样体则运至实验室采用水钻法钻取标准岩芯，钻芯时严格按照钻头中轴线垂直于胶结层面、并按照砂岩及喷射混凝土高度各为50 mm 的原则制作成φ50 mm×100 mm 的标准试样。

对加工完成后的组合试样进行筛选，筛选原则是剔除胶结处明显有缺陷及喷射混凝土表面孔隙较大或贯通的试样。将选好的试样放入烘箱中，在

105 ℃温度下烘48 h 至恒重，称量并记录各试样的质量；然后，将试样放入真空抽气装置中进行强制饱和，先抽取容器中的空气至气压不大于0.1 MPa，持续抽气2h 后再向容器中放入蒸馏水，并继续抽气4 h 直至无气泡溢出，抽完浸泡24 h 以上，称量饱和后的试样在空气中的质量及水中质量，以此得到其基本物理参数(见表1)。同时，制作一组砂岩标准试样按相同方法试验取得其基本物理指标以便比照。

2 岩样选取和试样制备

2.1 岩样选取

湖北省属于2008 年受灾较严重的地区之一，其大部地区连续低温天数达16～18 d，为1954 年以来最长，连续雨雪日数15～18 d，也为历史同期最长，平均气温为历史同期最低值[2]。本文选取湖北省宜昌梅子垭地区的白垩系细砂岩作为研究对象，

表1基本物理参

数

T able 1 Basic physical

parameters

干密度饱和密度吸水率饱水率孔隙率名称

－3 －3

ρ

d

/(g·cm) ρs/(g·cm) W a/%W p/%

n/%

砂岩 2.29 2.43 5.26 6.31 5.93 组合试样 2.23 2.40 5.70 6.90 6.94