一种基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法技术

本发明专利技术公开了一种基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法，该方法包括不同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，界面形状采用半规则等腰三角形锯齿形状。将锯齿倾角均设为β，其半波长近似符合正态分布规律。混凝土试件是根据相应岩石试件浇筑成的具有相应界面形状的试件。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。

An Indoor Shear Test Method Based on Wavelength Approximate Normal Distribution for Study of Pile-rock Interface

The invention discloses an indoor shear test method for pile-rock interface research based on approximate normal distribution of wavelength, which includes the design of rock and concrete specimens with different interface shapes. Rock specimens are cut directly into sawtooth-shaped interfaces with different isosceles triangles. The interface shapes are semi-regular isosceles triangle sawtooth-shaped. The sawtooth inclination is set to beta, and its half-wavelength approximates normal distribution. Concrete specimens are specimens with corresponding interface shapes poured according to the corresponding rock specimens. In order to simulate the characteristics of the pile-rock interface formed in the actual drilling process, and quantify the roughness of the interface, it provides an effective way to quantitatively calculate and analyze the influence of different interface shapes on the shear performance of the pile-rock interface.

【技术实现步骤摘要】
一种基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法
本专利技术属于岩土工程嵌岩桩桩岩接触面研究领域，具体涉及一种基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法。
技术介绍
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深层岩石中钻孔，放置钢筋笼，然后浇筑混凝土而成桩。经研究发现，灌注嵌岩桩承载力较大程度上依赖于桩岩之间的侧摩阻力，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。对于研究界面粗糙度对岩石界面剪切性能的影响还存在较大不足。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。鉴于此，为模拟嵌岩桩桩岩界面，自行设计了具有各种界面形状的岩石试块，采用呈现等腰三角形的锯齿形状来体现桩岩界面粗糙度，将混凝土浇筑在界面轮廓上以形成相应界面形状的混凝土试块，通过对岩石及混凝土试块进行室内模型直剪试验，结合相关理论分析，来研究不同界面形状对桩岩接触面剪切性能的影响。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的内容是提供基于波长近似正态分布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，本专利技术也主要基于此种机理对岩石界面形状进行设计。本专利技术通过设定岩石接触界面的形状，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。为实现上述目的，本专利技术的基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法所采用的方案为：一种基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法，包括如下步骤：步骤一，在施工现场进行钻孔，然后扫描出内壁岩石轮廓，将不规则岩石轮廓线性化为用折线表示的规则轮廓形状,折线形成三角形状锯齿，获得施工现场的桩岩三角形粗糙体界面窗口图；通过窗口图求算出桩岩界面的粗糙系数RF；RF：粗糙度系数；hm：粗糙体平均高度即窗口图上折线的平均高度；Lt：粗糙体局部波长即窗口图上折线的平均长度；R：桩半径lp：桩长其中i表示折线的顺序号，Δhi表示第i个折线的高度；Li表示第i个折线的长度；β表示窗口图上折线的平均倾角，βi表示第i个折线的倾角，所述倾角选锐角；p为窗口图上折线的总个数；步骤二、根据测得的RF系数，调整三角形状锯齿半波长期望值通过计算公式得到与现场求得的RF相同或相近的数值。其中锯齿个数lp为桩长，r为桩半径，β为锯齿平均倾角，l为试块界面长度；步骤三、制作锯齿个数为n、界面长度为l、界面宽度为W、锯齿平均倾角为β的试块，通过进行室内剪切试验，得到相应桩岩界面的τ-s曲线即剪应力-剪切位移曲线，根据试验数值，结合荷载传递方程进行竖向荷载传递分析；则桩身任意深度处荷载位移满足如下方程：Sz：深度z处竖向位移z：深度z处的桩深τ(S)：剪切位移为S时的剪应力C：桩身周长E：桩身弹性模量A：桩身横截面积γ：桩身重度将桩身沿长度方向离散为N个等长的单元，则每个单元的长度为Δ＝L/N；将桩身视作弹性材料，将单元节点从上至下依次编号0,1,2,…,i,…,N。则有下式：其中，(3)式为根据二阶微分形式转化而来，可联立上式根据实际测得S0求得S1，进而求得S2；结合下述通式可递推求得任意i节点竖向位移Si。进而可根据下式求取任意i节点所受竖向荷载Pi；Pi：任意i节点所受竖向荷载；P0：深度为z＝0处竖向荷载；从而得到桩岩界面的受力情况。进一步的改进，通过模拟试验得到桩岩界面的τ-s曲线的步骤如下：获得施工现场附近岩体，将施工现场附近岩体的一面切割成平滑面形成试件，然后在平滑面上切割出锯齿界面；锯齿界面上的锯齿形状为半规则等腰三角形均匀分布，即在锯齿形状为等腰三角形，等腰三角形个数为n；等腰三角形的半波长呈近似正态分布，等腰三角形的底角β；即设定半波长期望为第i个半波长为λi，半波长为λi的等腰三角形的数目为ni，其中λi服从期望的近似正态分布，记作σ2表示λi的方差；则λi的概率密度函数为对λi的概率密度函数积分可得则半波长为λi的等腰三角形的数目为对ni四舍五入取整数值，并且步骤三、将试件放入模具中，然后在试件锯齿界面涂抹润滑油，蒙上聚乙烯薄膜，以保证聚乙烯薄膜与界面完全贴合。再浇筑混凝土，进行恒温恒湿标准养护28天得到混凝土试块；步骤四、将试件和混凝土试块啮合后放入直剪试验仪器，对试件进行剪切试验，得到的τ-s曲线即为实际桩岩接触面的τ-s曲线的近似值。进一步的改进，半波长期望值通过试算调整使其RF值与现场估算RF值相同或相近。进一步的改进，还包括选取多种材质的岩体；改变锯齿界面的三角形状锯齿的数量n和半波长期望将试件分别放入模具中，并在在试件锯齿界面蒙上聚乙烯薄膜，在浇筑混凝土，进行恒温恒湿标准养护得到对应混凝土试块；将试件和对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，在施工现场进行钻孔，然后扫描出内壁岩石轮廓，将不规则岩石轮廓线性化为用折线表示的规则轮廓形状,折线形成三角形状锯齿，获得施工现场的桩岩三角形粗糙体界面窗口图；通过窗口图求算出桩岩界面的粗糙系数RF；

【技术特征摘要】
1.一种基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，在施工现场进行钻孔，然后扫描出内壁岩石轮廓，将不规则岩石轮廓线性化为用折线表示的规则轮廓形状,折线形成三角形状锯齿，获得施工现场的桩岩三角形粗糙体界面窗口图；通过窗口图求算出桩岩界面的粗糙系数RF；RF：粗糙度系数；hm：粗糙体平均高度即窗口图上折线的平均高度；Lt：粗糙体局部波长即窗口图上折线的平均长度；r：桩半径lp：桩长其中i表示折线的顺序号，Δhi表示第i个折线的高度；Li表示第i个折线的长度；β表示窗口图上折线的平均倾角，βi表示第i个折线的倾角，所述倾角选锐角；p为窗口图上折线的总个数；步骤二、根据测得的RF系数，调整三角形状锯齿半波长期望值通过计算公式得到与现场求得的RF相同或相近的数值。其中锯齿个数lp为桩长，r为桩半径，β为锯齿平均倾角，l为试块界面长度；步骤三、制作锯齿个数为n、界面宽度为l、界面宽度为W、锯齿平均倾角为β的长方体试块，通过进行室内剪切试验，得到相应桩岩界面的τ-s曲线即剪应力-剪切位移曲线，根据试验数值，结合荷载传递方程进行竖向荷载传递分析；则桩身任意深度处荷载位移满足如下方程：Sz：深度z处竖向位移z：深度z处的桩深τ(S)：剪切位移为S时的剪应力C：桩身周长E：桩身弹性模量A：桩身横截面积γ：桩身重度将桩身沿长度方向离散为N个等长的单元，则每个单元的长度为Δ＝L/N；将桩身视作弹性材料，将单元节点从上至下依次编号0,1,2,…,i,…,N。则有下式：其中，(3)式为根据二阶微分形式转化而来，可联立上式根据实际测得S0求得S1，进而求得S2；结合下述通式可递推求得任意i节点竖向位移Si。进而可根据下式求取任意i节点所受竖向荷载Pi；Pi：任意i节点所受竖向荷载；P0：深度为z＝0处竖向荷载；从而得到桩岩界面的受力情况。2.如权利要求1所示的基于波长近似正态分布的桩岩界面研究的室内剪切试验方法，其特征在于，通过模拟试验得到桩岩界面的τ-s曲线的步骤如下：凿取施工现场附近岩体，并切割为标准长方体。然后，将标准长方体岩体试件的一面切割成锯齿界面；锯齿界面上的锯齿形状为半规则等腰三角形均匀分布，即锯齿形状为等腰三角形，等腰三角形个数为n；等...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵衡，刘亚楠，杨超炜，赵明华，侯继超，张玲，周帅，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43