不同加載速率下砂漿-巖石界面黏結性能試驗研究

王海濤，李志明，孫昊宇，何 永，賈金青

(1.大連交通大學 土木工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連 116023)

巖土加固工程領域常常涉及錨固技術，但錨固界面的性能作為錨固體系力學性能研究的重點，其理論研究相對于其應用較為滯后。錨固系統的荷載由錨桿傳遞至錨固體，再傳遞至周圍圍巖，這三者之間的應力傳遞是通過接觸界面之間的黏結促成的。這也導致錨固系統中錨桿和砂漿體界面、砂漿體和圍巖界面之間的黏結作用成為影響整個系統承載力的關鍵，錨固體系界面黏結作用一旦發生破壞將導致整個錨桿支護實效，造成支護體系結構失穩。所以，界面黏結作用機理研究在錨固工程領域中至關重要。目前，國內外學者對錨固界面黏結作用機理的研究大多基于靜態加載試驗條件，但在實際錨桿支護系統工作環境中往往面臨更為復雜的動載作用，如地震作用、沖擊荷載等。因此，進行高加載速率作用下巖土錨固體系力學性能研究，能夠揭示錨桿系統作用機理，在保障支護體系工作的穩定性方面具有重要意義。

對于錨桿-錨固體界面黏結性能的研究可參考鋼筋-混凝土黏結性能試驗方法[1-2]。而砂漿-巖石界面間黏結性能研究大多采用砂漿推出試驗方法，該試驗具體過程是將砂漿柱體從混凝土或巖石基體中壓出，優點是試驗過程簡單、對界面的黏結性能分析較為準確[3-7]，文獻[8-10]通過此種試驗方法進行了相關砂漿-巖石界面間黏結性能的研究，但其過程中均出現了基體開裂現象，未能得到準確有效的界面黏結作用參數。針對此現象，劉亞林等[11]對該試驗方法進行了改進，以底面局部支撐代替原來的底面支撐，有效解決了試驗過程中基體開裂現象，但上述研究多基于靜載試驗條件下(應變率范圍10-6～10-4s-1)進行的砂漿-巖石界面黏結性能試驗，關于不同加載速率條件(應變率范圍10-4～10-2s-1)下砂漿-巖石界面黏結性能的研究相對較少。王瑤等[12]通過對不同應變率下花崗巖-砂漿界面軸向拉伸性能的分析，得出砂漿-巖石界面的抗拉強度具有應變率敏感性。另外，馬懷發等[13]通過準靜態砂漿骨料界面拉伸試驗發現應變率是影響界面黏結應力較為顯著的因素。陳興等[14]進行了劈裂試驗以研究砂漿-花崗巖界面劈裂強度的不同影響因素，研究表明伴隨著應變率的增加，砂漿-花崗巖界面裂紋的產生方式也會發生變化，由原來的從內往外擴展轉為從外往內貫穿。

本文采用改進的砂漿推出試驗方法，在不同加載速率條件下開展砂漿-巖石界面黏結性能試驗研究，試驗加載速率范圍參照文獻[15]確定。本次試驗分別對加載速率、砂漿體長度、砂漿體直徑、水灰比四種因素對界面黏結性能的影響展開探究，以揭示高加載速率條件下錨固系統中砂漿-圍巖界面黏結滑移作用機理，為錨固工程設計施工和錨固結構的優化設計提供理論依據。

1 試驗概況

以花崗巖模擬錨固周圍圍巖，采用將砂漿從花崗巖基體中推出進行室內試驗，試驗方案為標準試件1組，水灰比對比試件、砂漿體長度對比試件、砂漿體直徑對比試件各2組，其余組別試件用于加載速率對比，共計17組，每組3個試件，試驗結果取其試驗平均值，各試驗工況見表1。

表1 試驗工況

試驗用砂漿原料：水泥來自大連小野田水泥廠生產的硅酸鹽水泥，砂為河砂(中砂)。砂漿配比及物理參數見表2。

表2 砂漿物理力學性能參數

試件基體采用大連石材廠生產的花崗巖，單軸抗壓強度119.2 MPa，彈性模量64.39 GPa。花崗巖加工成標準尺寸300 mm×300 mm×150 mm，在花崗巖試塊中心位置鉆孔(沿試件高度方向)，孔徑設置為55、85、125 mm三種。基體成孔后清理孔壁，去除雜物，分別在孔底填塞圓形泡沫板并以石蠟密封，待石蠟凝固后向孔內注滿水，檢查錨孔孔底的密封性并使花崗巖充分浸潤以防止注入的砂漿水分流失。30 min后，將孔中水抽出并灌注砂漿，注漿時邊灌注邊振搗。

砂漿標準養護28 d后進行推出試驗。試驗地點為大連交通大學軌道學院，試驗設備為30 t電液伺服萬能試驗機，試驗機數據采集系統可自動實時輸出荷載位移曲線。本試驗加載制度為恒定速率加載，試驗前通過試加載確定了本試驗加載速率。

通過試驗機的加載頭往下運動實現砂漿的推出，見圖1。根據楊樹桐等[11]改進的試驗方法以鋼圓環柱為局部支撐，圓環柱的內徑設計略大于砂漿體直徑。

圖1 加載裝置示意

2 試驗結果分析

2.1 低加載速率下荷載-位移曲線

本試驗低加載速率下的荷載-位移曲線見圖2，曲線大致呈現三個階段，分別為彈性階段AB、界面軟化段BC和殘余摩擦段CD。初期AB段，在此階段尚未有裂縫出現，黏結應力為界面間的化學膠結力；進入BC段后，隨著荷載的不斷增加，膠結力減弱，裂縫逐步出現并發展，當延伸到一定長度時荷載達到BC段的極值，伴隨裂縫的發展界面間化學膠結力繼續減弱，曲線后期呈現下降趨勢；在CD段，在此階段在界面處將徹底失去膠結力，界面間破碎砂礫的殘余摩擦平衡外部荷載，曲線起伏不大呈現平滑穩定趨勢。

圖2 v=2 mm/min荷載-位移曲線

2.2 高加載速率下荷載-位移曲線

高加載速率下荷載位移曲線見圖3。由圖3(a)可知，與低加載速率試驗不同的是，加載速率達到72 mm/min時，試驗過程中可以聽到嘣響，此時開始出現黏結滑移特性。在曲線的軟化階段出現較明顯的下降段，在下降段尾部出現了黏滑現象，但黏滑作用細微且不具備可觀測性，僅將曲線放大到一定程度才觀測到。曲線進入殘余摩擦階段后的波動狀態與低加載速率的曲線波動情況相近，此階段的極限荷載為93.979 kN，相較于低加載速率曲線，此階段的下降趨勢較陡。黏滑現象通常用于地震發生機理的描述，此次在砂漿-巖石界面力學性能試驗的相關試驗研究中也發現了黏滑現象。

由圖3(b)可知，當加載速率達到102 mm/min時，荷載-位移曲線前期同樣是近直線上升段，至極限荷載126.92 kN，不同的是曲線沒有下降趨勢，隨之伴隨著不斷振蕩。應力降在整個振蕩過程中先增大后減小但起伏不大，平均應力降為33.68 kN。當加載速率達到132 mm/min時，荷載-位移曲線圖中振蕩效果更加直觀，彈性階段極限荷載為133.302 kN。從曲線中看出存在10個振蕩周期，平均應力降為50.95 kN。圖3(c)～圖3(g)中，每個振蕩周期曲線頂部均存在較短的平臺，在最后一個振蕩周期后荷載會突然下降。

圖3 荷載-位移曲線

由圖3(h)可知，隨著加載速率繼續增大，彈性階段極限荷載也會增大，振蕩現象更加明顯，但可觀測的振蕩周期減少，其原因是界面破碎和軟化程度加大，導致試件從加載直到試件被破壞所用的時間減少。

162 mm/min及以上加載速率的試件在彈性階段的最大荷載、平均應力降及振蕩周期數見表3。

表3 試驗結果統計

2.3 砂漿-巖石界面黏滑現象細觀模型分析

低加載速率下的荷載-位移曲線分為三個階段，與此不同的是，高加載速率下曲線在彈性階段末端出現最大值后發生振蕩，即發生黏滑現象。為了更加形象地描述高加載速率下砂漿-巖石界面的破壞過程，對尤春安等[16]建立的靜載條件下界面細觀力學模型進行了改進和完善，將高加載速率下砂漿-巖石界面的破壞過程分為彈性變形階段、界面軟化階段、殘余摩擦階段和黏滑振蕩階段。界面細觀模型見圖4。

圖4 界面細觀模型

(1)彈性變形階段

界面層的變形在試驗加載的初期為彈性變形，見圖4(a)。在此階段荷載-位移曲線與低加載速率相同為近直線上升，由化學膠結力提供界面處的承載力。

(2)界面軟化階段

曲線進入第二個階段，見圖4(b)。砂漿-巖石界面處砂漿出現不可恢復的塑性變形，并隨變形的增大，圖中向著加載方向前部，砂礫和漿體之間形成塑性擠壓區，伴隨著在其后部出現裂縫，大大削弱了界面之間化學膠結力。隨著加載的進一步推進，砂礫前部的塑性擠壓區和后部的裂縫均隨之擴大延伸，接觸屆面破碎。伴隨新形成的塑性擠壓區和擠壓滑裂面，這時將有界面處砂礫產生向破碎區滾動的趨勢，見圖4(c)。在荷載-滑移曲線上荷載突然下降是由于此階段錨固體產生明顯的膨脹，導致其對巖石基體產生較大的徑向壓力。巖石基體受到的壓力會隨加載的增大而增大，增大到巖基體所能承受的極限時基體將發生開裂，導致錨固體系失效。然而若因錨固體膨脹而引起的徑向壓力能夠被巖石基體所承受，砂礫在短時間內達到發生滾動效果的臨界點，此過程反映在曲線上為荷載成上升趨勢且達到一個極值點。但荷載達到極值時，開裂的界面處砂礫較快發生滾動，使界面處的膠結力短時間內突然耗損，這一過程反映在曲線上為荷載隨位移的增加而下降。

(3)殘余摩擦階段

殘余摩擦階段見圖4(d)，此階段化學膠結力全部破壞，此時界面將處于完全開裂、周圍的砂礫全部發生滾動，無黏性的砂礫和破碎的砂漿體與巖石基體與未破碎的砂漿體之間的摩擦力提供整個錨固體系的全部承載力，這一過程反映在荷載-位移曲線上為較平穩直線段。

(4)黏滑振蕩階段

界面處砂礫的滾動摩擦在界面完全開裂后的狀態是不穩定的。假設錨固體的行進在高加載速率加之粗糙的孔壁表面情況下表現為彈射式而不是連續行進，可以認為錨固體的彈射過程是一個不斷的能量積蓄-耗散的過程。加載過程的持續推進，如圖4(e)所示，破碎的界面表面和砂礫之間由無黏性的砂礫和未脫黏的砂礫擠壓作用而成的較大砂礫和未脫黏的砂礫間存在咬合作用，這時錨固體向前的行進速度將放慢并伴隨著能量積蓄，這一過程反映在在曲線上為振蕩上升段。如圖4(f)所示，能量積蓄到一定量時咬合力瞬間消失、能量大量耗散，彈射發生，所積蓄的能量一部分轉化為錨固體沿加載方向彈射的動能，另一部分以熱能和聲能的形式耗散掉，試驗過程中的蹦響就是能量耗散，這一過程反映在在曲線上為振蕩下降段。耗散后的能量無法推動錨固體向前滑動，砂礫會再一次咬合，上述過程反復發生，反映在曲線上就是連續的振蕩，即黏滑現象。

以時間為橫軸，分別以荷載、位移為縱軸，繪制荷載-位移-時間曲線，見圖5。發現曲線在每個振蕩周期內，荷載達到頂點的同時位移也伴隨著出現驟增，可證實前面假設的錨固體彈射前進；荷載逐漸下降的過程中位移開始慢慢上升，直至下一個振蕩周期荷載峰值的出現，可證實前面假設的能量積蓄階段。水灰比為0.40，砂漿體孔徑為85 mm，砂漿體長度為60 mm的試件分別在靜載和動載加載完成后界面處帶出碎屑，見圖6。由圖6可知，相比于靜態荷載，動態荷載作用下的碎屑量更多，說明在動態荷載條件下界面的破壞程度更高。由此也可以證明高加載速率下錨固體彈射式行進假設是合理的。

圖5 SH0.40-85-60-132試件的荷載-位移-時間曲線

圖6 試件界面處帶出的碎屑

3 砂漿-巖石界面黏結應力及其影響因素分析

由于本次推出試驗中所用砂漿體直徑與長度之比較小，近似把砂漿-巖石界面黏結應力分布看作為沿砂漿體長度方向的均勻分布[9]，由此，砂漿-巖石界面黏結應力可表達為

(1)

式中：τ為砂漿-基體界面平均黏結應力；P為不同時刻荷載的大小；D為砂漿體直徑；L為界面黏結長度。

3.1 加載速率對砂漿-巖石界面黏結應力的影響

由圖2和圖3可知，加載速率是影響黏滑現象產生的重要因素，當加載速率為72 mm/min時出現輕微的黏滑現象，但應力降較小；加載速率為102 mm/min時，出現了密集的可觀測黏滑序列，最大應力降可達20 kN以上；當加載速率達到132 mm/min時，黏滑現象更加明顯，可觀測性更強，最大應力降可達70 kN以上。這與以往斷層或巖石摩擦滑動研究中出現的黏滑現象有明顯的不同，以往的研究認為較低的應變率有助于黏滑現象的發生，當應變率升高時，黏滑將逐步轉變為穩滑[11,17-20]。

試驗結果表明砂漿推出試驗中極限荷載對應的滑移量集中分布于2 mm左右，由此可見滑移量受加載速率影響很小。不同加載速率下試件的試驗結果見表4，表4中極限荷載和平均黏結應力取各組3個試件的平均值(剔除基體開裂的試件)。由表4可知，加載狀態由靜態轉為動態的過程中，試件的極限推出荷載和平均黏結應力有一定的提升，這表明隨加載速率的提高，界面出現強化現象。在高加載速率下，若加載速率提升1.4倍，由72 mm/min提升值至102 mm/min，試件的平均黏結應力由5.866 MPa升高到7.922 MPa，相比提高了35%；若加載速率提高1.8倍，由72 mm/min提升值至132 mm/min，平均黏結應力由 5.866 MPa升高到8.320 MPa，相比提高了41.8%。據此規律可知隨著加載速率的增大，界面平均黏結應力也隨之有增大的趨勢，對試驗數據進行擬合發現，黏結應力增長與加載速率的增加近似呈對數函數關系，擬合曲線見圖7。

表4 試驗結果統計

圖7 加載速率與黏結應力關系曲線

總結已有文獻的相關試驗及現場實測數據，靜載下砂漿-巖石界面的黏結應力多分布于2～3.5 MPa之間[8,10,21-22]，本試驗中靜載試件的黏結應力也在此范圍內，而高加載速率作用下此界面的黏結應力卻要大很多，且隨著荷載的增大呈對數函數增長態勢。說明砂漿體在高加載速率下會產生驟然的徑向應變，導致圍巖將遭受更大壓力，從而使砂漿-巖石界面達到破壞需積蓄的應變能更高，這在拔出試驗中直觀表現為更大的極限荷載。

3.2 水灰比對砂漿-巖石界面黏結應力的影響

高速率加載條件下，如圖8所示，當水灰比由0.35∶1提高到0.40∶1時，砂漿-巖石界面平均黏結應力降低了7.9%；繼續提高到0.45∶1時，平均黏結應力降低了12.7%。這與低加載速率下得到的規律一致[7-8,19]。

圖8 水灰比與黏結應力關系曲線

水灰比的高低對黏結性能的影響體現在兩個方面：①影響界面層的形成及其力學性能。巖石基體存在細密的孔隙，其對砂漿里的水存在吸附作用，這種作用大于水分子內聚力就會在基體和砂漿體之間形成水膜，砂漿中的離子與水膜結合后會形成一種疏松的結構，待硬化后形成兩種介質之間的界面層。水灰比越大，硬化后形成的界面層越厚越疏松，黏結性能越差。②水灰比影響錨固體的力學性能，水灰比越大，砂漿強度越低。綜上所述，黏結應力隨水灰比增大而降低的趨勢，不論是低速率加載還是高速率加載時都存在。

3.3 砂漿體長度對砂漿-巖石界面黏結應力的影響

由圖3(c)～圖3(h)可知，砂漿體長度也是影響黏滑現象出現的重要因素。當砂漿體長度為30 mm時未觀測到黏滑現象，而當砂漿體長度為60、90 mm時均發生了明顯的黏滑現象。當砂漿體長度為60 mm時，荷載位移曲線第一次達到峰值時即出現黏滑，未見下降段，而當砂漿體長度為90 mm時荷載位移曲線則出現了明顯的下降段，伴隨著應力降較小的小黏滑事件。其原因是在相同應變率條件下，裂縫在試件中的發育過程隨著錨固體長度的增加而變長，接觸界面的脫黏現象更明顯，削弱了膠結力致使黏結應力降低。

控制加載速率、水灰比及砂漿體直徑相同，砂漿體長度由30 mm增加到60 mm時，平均黏結應力降低33.6%；繼續增加到90 mm時，平均黏結應力降低48.7%。黏結應力隨砂漿體長度的增加而降低，通過擬合結果見圖9。

圖9 砂漿體長度與黏結應力關系曲線

3.4 砂漿體直徑對砂漿-巖石界面黏結應力的影響

由圖3(c)～圖3(h)可知，砂漿體直徑同樣對黏滑現象的產生有重要的影響。當砂漿體直徑達到125 mm時將不出現應力降較大的黏滑事件，僅觀測到兩次應力降較小的黏滑事件發生。若砂漿體長度不變而直徑增大，砂漿體的長度與直徑之比變小，是減小砂漿體長度的另一種方式。

加載速率、水灰比及砂漿體長度都相同時，由圖17可知，砂漿體直徑由65 mm增大至85 mm，界面平均黏結應力降低34.5%；繼續增加至125 mm時，平均黏結應力降低69.9%，黏結應力隨砂漿體直徑的增加而降低，擬合結果見圖10。

圖10 砂漿體直徑與黏結應力關系曲線

砂漿體直徑對黏結應力的影響更為顯著，砂漿體直徑越大，界面層的周長、表面積也越大，相應薄弱層也越大，黏結效果越差。這與文獻[8]在靜載條件下得到隨砂漿體直徑增大，黏結應力顯著減少結論一致。

4 結論

本文采用改進的砂漿推出試驗方法，對不同加載速率下錨固體系砂漿-巖石界面的黏結性能進行研究，分析不同加載速率、水灰比、砂漿體長度、砂漿體直徑等因素對界面黏結性能的影響，主要研究結論如下：

(1)當加載速率達到72 mm/min及以上時，砂漿-巖石界面發生黏滑現象。黏滑現象通常用于地震發生機理的描述，此次在砂漿-巖石界面力學性能的相關試驗研究中也發現了黏滑現象。

(2)將高加載速率下砂漿推出試驗測得的荷載-位移曲線劃分為彈性變形階段、界面軟化階段、殘余摩擦階段和黏滑振蕩階段，建立了高加載速率下砂漿-巖石界面黏結滑移的細觀模型，對高加載速率條件下錨固系統中砂漿-巖石界面黏滑作用機理進行了分析。

(3)砂漿-巖石界面的黏結應力隨加載速率的提高呈對數函數形式增長，但加載速率對極限荷載對應的滑移量影響不大，且集中分布于2 mm左右；高加載速率下砂漿體長度、砂漿體直徑及水灰比對砂漿-巖石界面黏結應力的影響規律與靜載條件下的規律相同，但高加載速率下砂漿-巖石界面出強化現象，界面黏結應力較靜載條件下高。