[发明专利]一种基于半规则锯齿的桩岩界面研究的室内剪切试验方法

说明书

本发明公开了一种基于半规则锯齿的桩岩界面研究的室内剪切试验方法，包括具有不同半规则锯齿界面形状的岩石及混凝土试件的设计，岩石试件是将岩石直接切割成具有不同等腰三角形的锯齿形状界面的试件，将锯齿倾角均设为β，界面形状为半规则等腰三角形的锯齿形状，其半波长的分布规律符合等差数列，以此来模拟实际钻孔过程中形成的桩岩接触面特征。再通过将接触界面粗糙度进行量化处理，为研究不同界面形状对桩岩接触面剪切性能的影响进行定量的计算分析提供了一种有效的途径。

技术领域

本发明属于岩土工程嵌岩桩桩岩接触面研究领域，具体涉及一种基于半规则锯齿的桩岩界面研究的室内剪切试验方法。

背景技术

当前，对于桥梁、道路以及高层建筑等具有较大集中荷载的基础形式，通常使用大直径灌注桩作为基础形式，将上层建筑传来的较大的荷载传递到坚硬的持力层中(如完整岩层)。另外，与贯入桩相比，灌注桩的施工没有噪音和振动等方面的不良影响。灌注嵌岩桩是通过在地层中钻孔，放置钢筋笼，然后浇筑混凝土而成桩。经研究发现，灌注嵌岩桩在嵌入软岩段的承载力较大程度上依赖于桩岩之间的剪切特性，而灌注嵌岩桩较小的桩顶沉降也使桩端岩层承载力的发挥较桩岩间的侧阻力而言基本可以忽略。因此，研究桩岩接触面的剪切性质(具体表现为桩身-围岩的剪切面的摩擦特性)在优化设计嵌岩桩承载性能和降低建设成本等方面具有重要意义。

国内外专家学者对岩石节理性质的研究已经进行了多年，而关于桩岩接触面的剪切特性的研究则进行较少，桩岩接触面的研究是属于岩石节理性质研究的一种特殊情况。通过这些研究已得出了不少结论，并且对于影响界面剪切强度的主要因素的研究比如岩体性质，界面粗糙度以及边界条件等都得出了不少的理论性成果。可是，由于岩石其本身的材料特性，以及在研究过程中简化的研究机制或主观经验理论对参数进行取值，目前提出的方法都不能可靠地预测接触面的剪切性能，不能达到令人满意的精度水平。

在对岩石剪切特性研究的基础上，基于其基本的理论研究，不少学者也对嵌岩桩桩岩界面的剪切性能进行研究。在当前对桩岩界面剪切性能的研究中，使用最广泛的方法Barton提出的JRC法，该方法是通过对岩石试样进行室内试验或是直接观察岩石界面轮廓与10条已有的特征曲线相比来得出岩石的粗糙度，该方法受个人主观影响程度较大。谢和平等采用分形几何描述岩石节理面的粗糙度，表明分形维数可以较好的描述节理面的粗糙度，但对于用理论方法预测任意粗糙度下的岩石节理的剪切响应仍较为不便。近年来，有研究者采用一系列均匀的等腰三角形(锯齿状)来模拟桩岩界面的粗糙度，并进行了相关的室内直剪试验。该方法模拟实际工程的效果较好且易于操作和推广，且参数少易于理论计算。但是，其仅考虑了界面起伏形状为规则等腰三角形的情况，这与实际工程中桩岩界面的粗糙体分布有较大出入，主要有以下两点：(1)桩岩界面中各个粗糙体的高度是随机分布的，并不是等高；(2)规则等腰三角形的粗糙体设置将导致室内试验时应力的均匀分布使得界面上的粗糙体同一时刻破坏，这与实际情况是相悖的。

名词解释：

τ-s曲线：即剪应力-剪切位移曲线，在剪切过程中，剪切面上剪应力值是随剪切位移的发展而变化的，将剪切位移(s)为横坐标，剪应力(τ)为纵坐标作出τ-s曲线，即为剪应力一剪位移曲线。

发明内容

有鉴于此，本发明的内容是提供基于半规则锯齿的桩岩界面研究的室内剪切试验方法，旨在模拟实际钻孔过程中形成的嵌岩桩与岩石接触界面的粗糙度，本发明也主要基于此种机理对岩石界面形状进行设计。本发明通过设定岩石界面的起伏形状，将界面粗糙度量化为呈现等腰三角形的锯齿的形状来表征。将锯齿倾角设为β用以模拟岩石界面粗糙体倾角，通过设定半波长的长度来控制锯齿的大小及分布规律，用以模拟桩岩接触面的界面形状，在界面锯齿两端端部各留有平面部分，以防止剪切试验过程中，对端部锯齿造成局部受压破坏，并通过浇筑具有相对应界面的混凝土试块，来模拟实际工程中的嵌岩桩混凝土接触部分，制作的混凝土强度高于岩石强度，以保证剪切试验过程中，岩石界面先于混凝土界面破坏，以达到研究桩岩接触面岩石的剪切性能的目的。通过对岩石及混凝土试块的剪切试验，进而研究接触面形状对桩岩界面的剪切特性的影响。