基岩与混凝土的粘结力

1、基岩与混凝土的粘结力一般而言 , 对建造于岩基上的大坝、桥梁锚碇等建筑物稳定 性起控制作用的往往是基岩体内软弱结构面的抗剪强度及基岩 与混凝土胶结面的抗剪强度。因此 , 建基面基岩与建筑物基础混 凝土胶结面的抗剪强度是设计中必不可少的参数之一 , 它直接关 系到建筑物的稳定性 , 直接影响基础处理工程量与工期 , 在既安 全又经济的优质设计标准下 , 选用客观实际的摩阻力参数成为基 础设计的研究重点。胶结面两侧基岩与混凝土直接接触 , 其抗剪 强度值一定程度上依岩石和混凝土的基本摩擦角而定。一般说来 , 岩石较软弱时 , 基本摩擦角小。 基岩的性质包括基 岩的岩性、岩石的强度、风化程度以及完整

2、性等。岩性是岩体的 标志性特征 ,岩性不同 ,岩体的结构特征也各不相同 ,其物理力学 参数也就存在差异。而所处地质条件及所受地质作用的差异, 基岩会表现出不同的风化程度及完整性特征。 同种岩性的岩石因风 化程度不同 , 必然具有不同的强度特性 , 风化程度越深 , 岩体完 整性越差 ,强度越低 , 与混凝土胶结面的抗剪强度也就会相应地 降低。混凝土相当于一种人造岩石 , 其强度等性质影响胶结面的 抗剪强度。在实际工程中 ,一般采用的混凝土标号是一定的 , 混凝土较 基岩具有更好的均一性和完整性。 基岩和混凝土的性质还会影响 剪断破坏面的位置和形成。 若胶结面两侧岩石与混凝土坚硬、 强 度高 ,

3、基岩与混凝土成刚性接触 , 剪切破坏严格沿胶结面发生 ; 若两侧岩石与混凝土软弱、 完整性差 ,或一侧软弱 ,则除沿胶结面 外 , 还可能局部或大部分甚至全部在软弱一侧基岩中发生剪切破 坏。岩基与混凝土胶结面抗剪强度受基岩岩性、建基面糙度、水 的软化及尺寸效应等多种因素影响。综合分析各种影响因素 , 概 化出了整个胶结面的抗剪强度参数值计算公式。 通过试验研究及 理论分析 , 得出如下主要结论。(1) 对于较坚硬基岩与砼的胶结面 , 粗糙起伏度对其抗剪强 度有较大影响 , 在一定应力范围内 , 糙度增加 , 胶结面抗剪强度增 加。糙度对胶结面摩擦系数的影响尤为显著。(2) 文中在对锚碇基岩面进

4、行回弹值检测及粗糙起伏度量测 的试验基础上 , 将整个锚碇建基面分区考虑 ,根据各区基岩岩性 及糙度等不同情况给予不同的强度影响系数 , 充分考虑了建基面 各部位的差异。(3) 通过概化的计算公式及大量试验确定的参数值 , 计算出 了北锚碇整个胶结面的抗剪强度参数值。 计算值较现场原位强风 化区试验值稍大 , 原因是计算值系统考虑了多种因素的影响及整 个建基面的情况 , 其结果是合理可靠的。基岩与混凝土胶结面抗剪强度的准确确定是一个复杂而重 要的问题 , 影响因素较多 ,也较复杂 ,且不同的工程间存在较大 差异。因此,还应更多的开展各种影响因素的相关研究 , 以求更合 理的确定构筑物混凝土基础

5、与基岩胶结面的抗剪强度 , 在稳定 安全的前提下 , 提高工程的经济性。 抗滑稳定分析是重力坝设计中的一项重要内容 , 准确核算坝 体沿坝基面或沿深层软弱结构面抗滑稳定是保证重力坝正常工 作的重要保证。目前 , 常用的重力坝抗滑稳定分析方法有抗剪断 安全系数法与基于分项系数的极限状态法 , 其中抗剪断安全系数 法应用较为广泛。 抗剪断安全系数法考虑了坝体混凝土与基岩间 的凝聚力 , 物理概念明确 , 比较符合大坝的实际工作情况。但是 这种方法不讨论坝体与基岩的应力应变关系 , 然而, 从不少的重 力坝所发生的失稳现象来看 , 重力坝的失稳破坏是一个比较复 杂的过程 , 实际上是一个剪切屈服范围

6、逐渐扩大并最终形成滑 动通道的过程。因此 , 在抗剪断安全系数法中阻滑力与滑动力的 大小不一定反映了接触面的真实受力状态。 此外 , 抗剪断安全系 数法也不研究坝体与基岩的变形情况 , 也就不能分析坝体稳定 破坏的发生、发展过程 , 因此, 不能较全面地反映重力坝的失稳 机理。混凝土重力坝的失稳机理比较复杂 , 准确计算坝体稳定系 数是工程安全的有力保证。 本文采用有限元法与抗剪断安全系数 法相结合的方法计算坝体的抗滑稳定安全系数 , 与传统的抗剪 断安全系数法相比较 , 该方法一方面利用有限元法较全面地考 虑地质情况和受力条件等因素对坝体稳定性的影响 , 另一面考虑 抗剪断安全系数法物理概念

7、清晰、 工程应用广泛 , 两者优势互补 将快速有效地求解了坝体的抗滑稳定安全系数 , 为坝工的稳定 性评价提供可靠的指导依据。混凝土与基岩胶结面的抗剪强度， 主要取决于胶结面的粗糙度 （ 凸起体的大小、 数量和形状等 ） 、混 凝土与基岩的强度 （ 包括混凝土或砂浆与基岩的“胶结力” ） 和 正应力大小等因素 . 实践证明，当混凝土和基岩的强度存在一定 的差异时，在糙度等条件一定的情况下，胶结面的抗剪强度，受 强度较小的一方所控制 . 在现场抗剪试验中，要控制混凝土试件 的强度与大坝设计所需的混凝土标号相同是难以实现的 ; 由于混 凝土与基岩胶结面的粗糙度， 是通过人工对基岩面制作来实现的 因

8、此在水利水电工程岩石试验规程中虽然规定了糙度为试件边 长的 l-2% ，但糙度的大小、凸起体的形状、大小和数量的决定， 其人为因素较大 . 粗糙度和混凝土强度等对抗剪强度的影响，国 内外有过许多研究， 但都只有定性的结果。 因为对胶结面抗剪强 度影响因素以及剪切破坏机制了解不够， 因此如何把试验成果合 理的用于设计， 众说纷云， 取值方法不一往往参照类似工程的经 验来判断选定抗剪强度参数 . 这实质上是把试验数据作为参考的 一种经验方法，因而一般难以掌握。通过现场直剪试验， 比较系统地研究了糙度、 混凝土强度和 正应力对混凝土与基岩胶结面抗剪强度的影响， 从而提出了对混 凝土与基岩胶结面抗剪强

9、度进行评价的有效方法 . 由于混凝土强 度不同，造成与关系点群分散 . 用无因次比关系，得到正应力与 剪应力的明显非线性关系， 拟合其曲线方程， 从而得到工程所需 的任一混凝土标号的抗剪强度 . 研究表明，粗糙度是影响抗剪强 度的主要因素， 根据混凝土与基岩接触面的基本摩擦角和峰值剪 胀角，以及胶结面的抗切强度， 对设计采用抗剪强度可作出基本 的估计 . 因此，确定混凝土与基岩平整面的基本摩擦角，在直剪 试验中准确地测定峰值剪胀角、 不加正应力的抗切强度和混凝土 的强度 ; 以及选择适当的糙度，对最终确定混凝土与基岩胶结面 的抗剪强度极为重要。水利工程中， 岩基研究的内容之一是混凝土与基岩胶结

10、面的 抗剪强度。 过去认为必须向设计部门提供这项试验成果， 以作为 设计上考虑计算大坝的抗滑稳定问题的依据。 这就使得胶结面坑 剪试验成为一项常规试验， 国而普遍、 甚至大量地在各大型工程 现场进行这项试验。众所周知， 基础表面处理的技术要求是十分严格的， 松动软 弱岩石皆被清除，污垢皆被洗净，十分光滑者可以凿毛，特殊情况还要特殊处理。最终 形成的混凝上与基岩胶结面并非光滑面而是一个粗糙面。 共起伏差由数厘米至数十厘米或更 大。而水泥作为一种胶结材料在现代条件下是可以保证大部分胶 结良好的。因此，混凝土与岩石之间是存在一定联结力的。正如 碎石混凝土中的碎石与砂浆难于分离那样， 建基面的每一个锯

11、齿 伏凸起也与混凝土牢固的胶结在一起。 混凝土质量的差异只会造 成局部胶结较弱。1. 开展多年的混凝土与基岩胶结面抗剪试验， 实质上是一种 胶结材料与另一种材料之间胶结面的抗剪试验， 当胶结面达到某 一粗糙度时， 其抗剪强度等于弱者的抗剪强度， 其破坏而也只会 发生在弱者之中。其中在坚硬和半坚硬岩石上所作的胶结面抗 剪，实质上求得的都是混凝土自身的抗剪强度参数 ; 在软弱岩石 上所作的胶结面抗剪， 实质上所获得的是软岩本身的抗剪强度参 数。因此，岩基试验中混凝土与岩石胶结面抗剪试验是没有意义 的，今后不必进行。2. 当岩石的强度远大于工程混凝土的强度且岩体中无不 利弱面时， 坝体与岩基胶结面抗

12、剪的问题归结到坝体上， 即其抗 滑稳定取决于混凝上的强度， 因此， 过去设计规范中采用所谓胶 结面抗剪试验数据是不合理的。 今后设计计算中应当采用混凝土 本身的抗剪强度参数。 为此需在现场和室内开展混凝土抗剪强度 试验，取得成果后就可以“一劳永用”， 即把常用混凝土的抗剪 强度参数当做常数应用。如能在坝体底层采用较高标号的混凝 土，则能提高坝体的抗滑稳定性，这样就有可能节省工程量。如 果坝体底部配筋， 则需将它们延伸到基岩表面。 而当基岩为软弱 岩石时，提高混凝土标号或采取加强措施是无益的。3. 岩体存在不利弱面或岩石强度小于混凝土时， 胶结面抗剪 问题转移到基础岩体。 与混凝土大坝抗滑稳定有

13、关的现场及室内 抗剪试验其主要内容是岩体本身抗剪和弱面抗剪。 也就是说大坝 抗滑稳定的研究就成了基岩抗滑稳定的研究。 基础稳固了， 大坝 就是安全的。三峡工程主要建筑物混凝土重力坝工程量巨大， 坝基胶结面 的强度参数对于大坝的设计影响很大， 历年来选用的数值很不一 致，近年外国专家也纷纷提出意见。 为了对此问题求得明确的答 案，本文汇总分析了多年来三峡大坝坝基胶结面抗剪强度试验成 果和取值的演变过程以及各方讨论的意见， 回顾了重力坝抗滑稳 定分析方法的发展， 叙述了剪摩公式取代纯摩公式的过程和国内 外对胶结面强度参数设计取值的做法 .文中指出 :抗剪试验时胶 结面或混凝土底部的砂浆层是强度最差

14、的控制面， 由于实际的坝 基胶结面凹凸度大得多， 试验值是实际可能的下限， 可根据大坝 混凝土的标号和坝基正应力的范围， 直接选用实验峰值的平均值 作为设计计算值而不必进行折减。混凝土重力坝抗滑稳定计算，由纯摩公式演进到剪摩公式， 是坝工建设经验积累的结果， 也是岩石力学试验技术和理论发展 的结果。体现了抗滑稳定设计从以经验为基础走向以科学试验研 究为基础的发展途径，也是设计水平显著提高的体现。使用剪摩公式作抗滑稳定设计， 胶结面的抗剪强度参数 c、 f 及与之配套的安全系数 k 的含义与纯摩公式的参效 f 及安 全系数k完全不同，f位是以材料之间的光而摩擦系数为基础的， 它并不代表坝基胶结面

15、真实的抗剪弧度， 而是考虑一定安全裕度 的一个经验指标， k 值也不代表大坝的真实安全度，同样是个经 验指标。相反，c、f产值表示的是在正常情况下大坝混凝土 与基岩胶结面的抗剪强度，k值则是由于实际工程的种种不确定因素 （ 例如载荷的不确定性， 特别是材料性质的不确定性 ） 而保 留的安全裕度。 对于三峡坝址这样的坚硬基岩， 按照现行试验规 程进行的混凝土与基岩的胶结面抗剪强度试验， 三要是沿胶结面 或试件底层砂浆剪断。 因此， 胶结面和砂浆层是比混凝土和岩石 强度更弱的控制面。 由于实际坝基岩面的凹凸度比试验时的大得 多，实际的胶结面抗剪强度也会比试验位大， 试验值代表的是实 际情况的下限。

16、由于较大的安全系数 k己预留了足够的安全裕 度，而且试验的f、c产值己经是实际可能的下限，不必折 减。对于基于整体极限平衡原则的抗滑稳定计算， 可直按取用试 验的峰值 （经过统计处理了的 ），但是取值时应当区别不同的混凝 土标号和不同的正应力范围。 对于三峡大坝， 表 7所列的数据是 可用的。对应于其它混凝土标号或正应力范围的c、f 值可利用 （4） 式计算。这样取位并改用剪摩公式后，坝基胶结面的抗 滑稳定在大坝断面设计可能不再是控制因素， 坝体应力状态和裂 缝控制会上升为主要问题， 这也是坝工设计水平不断提高的一个 表现。混凝土坝岩基抗滑稳定的核心问题是安全系数与抗剪强度 指标的选定。 一方

17、面它与工程的安全性密切相关， 另一方面它又 是大坝剖面是否经济合理的关键。这个工程技术科学的重要课 题，从六十年代以来已有许多文章研讨过。 岩基破坏总是有一部 份发生在完整岩基中， 而完整岩基的抗剪强度远大于一般野外试 验值，并提出确定抗剪强度指标的方法。对坚硬岩石的大坝稳定分析， 宜以断裂力学的方法求解， 因 为从模型试验以及位于坚硬岩基上的大坝失事情况得知， 多数是 首先出现脆性破坏的裂纹。有关研究工作在国内外已有人在尝 试，它比极限平衡式 (1) 和 (2) 可更接近坝基的实际工作状态。 其 中关键是岩基中有无予裂纹存在， 而该裂纹形式的确定尚较难解 决。如果这些问题获得解决，将使断裂力学方法达到实用阶段。 总之，要真正摆脱经验设计，必须完全跳出“经验”的约束。从 实际出发，从科学试验资料入手，经勘测、设计、施工和科研各 方共同配合。克服难点，就能由“必然王国”走向“自由王国”。岩石抗剪强度指标的设计采用值偏低的原因是多方面的， 既 有科研方面 (如比尺效应、 更合理的科学岩体分类等 ) ，也有设计 方面的。无论如何， 对岩基抗剪强度指标采取人为折减而造成设 计值远低于试验值的现状应当改变， 要做到这一点， 宜先从一些 认识上提高，并采取下列几项措