旋挖成孔方式下螺纹状围岩粗糙度量化分析

嵌岩桩是大跨径桥梁工程中常用的一种基础形式。由于钻孔工具等因素,桩-岩界面上会形成系列起伏的三维粗糙体,其对桩基承载性能至关重要。因此准确量化实际三维桩-岩粗糙体的粗糙度特征,是建立基于界面粗糙度的桩基承载力设计方法首先需要解决的问题。为此,依托于马鞍山长江大桥深嵌岩桩基工程,在现场钻取含三维粗糙体的砂岩试样,利用三维激光扫描重塑桩-岩界面数字化模型,对其粗糙度特征值,面积扩展率(S)、相对平均起伏度(R_(s))和桩-岩界面平均倾斜角(θ)等进行量化分析;而后构建桩-岩界面试样开展3组界面剪切试验和3组界面抗压试样以计算试样的结构面粗糙度系数JRC^(3D)(joint roughness coefficient)值,并基于试验结果验证已有JRC^(3D)经验计算方法对桩-岩界面的适用性。结果表明:实际桩-岩界面既有规则的螺纹状凹槽,也有起伏较低的相对平整面,而非室内试验中规则粗糙体或不规则孔洞;实际桩-岩界面粗糙度远大于岩体结构面和室内规则粗糙体,面积扩展率、相对平均起伏度和界面平均倾斜角均明显较大;桩-岩界面JRC^(3D)均值(26.15)大于岩体结构面(标准轮廓线上限值20)和室内规则粗糙体,可近似采用JRC=6.423+2.329×(100S)-0.187R_(s)-2.676 tanθ公式估算。研究成果可为建立基于界面粗糙度的深嵌岩桩设计方法提供科学依据。

两统计参数评估结构面粗糙度探讨及试验验证

岩体结构面粗糙度定量化表征对结构面力学性质精准描述具有重要意义。研究表明,在量化结构面粗糙度的众多统计参数中,均方根Z_(2)和结构函数SF与巴顿10条典型节理轮廓线的粗糙度系数JRC值相关性最好。然而,采样间隔是制约其实践应用的重要瓶颈。基于此,应用数字图像处理技术,首先计算10条节理线在采样间隔SI∈[0.2 mm,10 mm]范围的30组Z_(2)和SF值;然后分析不同采样间隔SI分别对Z_(2)和SF的影响规律,进一步推演组合参数(Z_(2),SI),(SF,SI)分别与JRC的关系;以此提出适用于采样间隔SI∈[1 mm,10 mm]范围内的任一间隔组合参数(Z_(2),SI),(SF,SI)评估结构面粗糙度JRC的通用方法;最后通过结构面剪切试验验证所提评估公式的可靠性。结果表明:(1)同一节理轮廓线,随采样间隔SI增大,Z_(2)值逐渐减小;而参数SF值随采样间隔SI的增大而增大;两参数Z_(2)和SF分别与SI呈相关性很好的幂函数关系;且其幂函数的系数总体上随JRC的增大而增大。(2)所提2种评估方法经巴顿曲线粗糙度的初步验证,3条节理线(JRC0-2,JRC16-18,JRC18-20)粗糙度估值总体上略偏小些,而(JRC4-6,JRC10-12)这两条节理线粗糙度估值总体上略偏大些,其他5条节理线粗糙度估算值基本分布在其粗糙度范围内。(3)室内直剪试验反算试验结构面4个方向的粗糙度与估算公式结果进行对比验证可知,粗糙度估计值与试验值总体上比较接近;若最大允许偏差为4时,采用两评估方法任一间隔组合参数评估4个方向结构面的粗糙度,其准确率不低于83.33%。该研究成果克服了统计参数Z_(2),SF评估结构面粗糙度受采样间隔影响的缺陷;为统计参数评估结构面粗糙度提供了一种新方法。