节理面制备及加锚性能试验的研究

(1)试件的制备

由于很难控制原岩试件中的节理分布以及节理形状和大小,因此节理岩体试件一般由相似材料制作而成。根据材料相似原理以及在前人研究的基础上,满足模型材料与原样材料几何相似和物理相似的原则,在保证材料一致性的前提下,采用标号42.5普通硅酸盐水泥、天然河沙作为细骨料,按照水泥∶砂∶水为1∶1∶0.45比例的相似模拟材料制作不同形式的节理试件,试件几何尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,本次试验由于采用单一配合比的相似模拟试验,因此试件的强度是固定的。在试件制作中,锚杆选用HPB300型光圆钢筋制作,其屈服强度为300 MPa,设定直径8 mm,长110 mm,锚杆锚固方式为全长式锚固。

试件成型后立即用不透水的塑料薄膜盖住试件表面,成型后的试件应在温度为(20±5)℃的环境下静置两天两夜,之后对试件编号,拆模。拆模后将试件立即放置于温度为(20±2)℃,相对湿度在95%以上的标准养护室中养护。标准养护室内的试件应放在支架上,彼此间隔10～20 mm,试件表面应保持潮湿,但不得用水直接冲淋。标准养护28天后方可进行后续试验。

(2)试件节理角度与粗糙度的预制

本节主要研究全贯通节理试件的相关性质,因此,需要制备大量贯通节理试件,准确地预制出节理角度与节理面粗糙度将成为重中之重。目前节理面角度与粗糙度的预制主要依靠于根据节理形态切割完整试件后拼接、制作试件前预埋钢片或薄膜、3D打印节理形态模具等手段。本试验采用的节理预制方式为:以节理面为界,分开制作上下含节理试件的部分,然后将两部分沿着节理面拼接起来。此次试验制作试件的节理倾角设置为0°,30°,45°,60°,如图3.5所示。

实际上JRC是表征节理面粗糙性的一个几何参数。本节建立了节理剖面的理论分形模型,模拟节理剖面的粗糙度。节理的分形维数D直接由两个统计参数L和h(L,h分别为节理面粗糙度的平均基长和平均高度)估计,即

本次试验的节理面粗糙度系数JRC分别取3,9,16,21,节理面粗糙度的平均基长为25 mm,其平均高度分别为1.6,4.0,7.0,9.5 mm。不同JRC值的节理面曲线设计图如图3.6所示。本试验节理面粗糙度的预制方法为:设计不同粗糙度的锯齿形木模,该木模具有不同的倾斜角度,用来实现不同节理角度下的表面粗糙度,木模成对制作,因此含节理试件上下两部分必须成对浇筑,以保证两部分试件能够完全吻合。

图3.5　不同节理倾角的节理试件

图3.6　节理面曲线

不同节理面粗糙度试件的制作过程如下:首先将前期准备的木模放入标准的模具中(为了能够更顺利地脱模,必须给放入模具的木模表面以及模具内部均匀地刷一层润滑油)。为保证制作的试件达到标准规格,将放入的木模压紧从而保证木模与模具之间没有空隙。其次按所设计的配合比拌和相似模拟材料,多次反复地搅拌保证其质地均匀,并将其灌注到之前准备的模具内后放置在振动台上振捣,排出浆体中的空气等保证成型试件的密实度,将内部空隙降至最低。振捣充分,将上表面的浮浆刮去后抹平表面,保证表面的平整光滑。最后将所制作的试件统一放置到水平阴凉地面,待试件初凝后脱模养护。

根据工程实际选择研究的岩体,制备岩体各项指标相近的相似模拟材料试件,如图3.7、图3.8所示。使用模具进行100 mm×100 mm×100 mm试件的制备,其中,若干试件要进行节理的预制,不同节理面粗糙度、节理倾角的变化。

图3.7　JRC为21的试件示意图(www.xing528.com)

图3.8　加锚节理试件示意图

(3)锚杆的轴力的量测

锚杆选用HPB300型光圆钢筋制作,其屈服强度为300 MPa,设定直径8 mm,长110 mm。采用细砂纸钢筋粘贴面进行交叉打磨,使试件表面呈细密、均匀粗糙毛面。打磨后的表面采用纯度较高的无水乙醇反复清洗,确保贴片部位干净。本次试验选用BFH120-3AA型电阻应变片,采用1/4桥接法连接。用502胶水将应变片沿锚杆轴向粘贴(每根锚杆上有5个应变片,位置如图3.9所示),然后用环氧树脂进行包裹来保护应变片。

图3.9　锚杆应变片布置示意图

(4)实验方案设计

控制节理面的长度、宽度等影响因素,研究不同应力路径下节理面粗糙度、节理倾角不同如何影响试件的抗剪强度。

本试验分别进行以下两种试验:一是无任何加固措施的含节理试件直剪试验;二是有锚杆加固的含节理试件直剪试验,模拟锚杆锚固作用;表3.2即为试验方案。

表3.2　试验方案表

(5)实验步骤

①首先进行岩体等效相似模拟材料试件的制作,制作完整无节理试件,进行常规单轴试验,测得抗压强度、弹性模量、泊松比等基本参数。

②进行含节理试件的制作。先将模具进行处理,使其能够实现试验需求,接着按照事先配合的相似模拟材料灌注至涂抹过凡士林的模具中,浇筑24 h后,撤掉光滑杆体,插入单头螺纹杆,置应变片进行注浆,养护28天。

③将应变片贴于试块表面,完成接线和应变采集仪的连接。测量出在单轴压缩的应力状态下含加锚节理试件的应力应变情况。

④进行实验方案设计的剪切试验,测出在剪切条件下加锚节理试件的剪切应力-位移曲线。