花岗岩/水泥砂浆界面抗剪强度及其渗透性试验研究

【摘要】：在隧道、引水隧洞和大坝等工程中,往往为了保护原有岩体,需要在原有岩体上重新砌筑新的围岩,原有岩体与围岩的界面是结构上的脆弱面,这个界面处于应力场、渗流场、甚至热力场的多场耦合环境中,其中在应力场中,对界面影响最大的为剪应力,在剪应力的作用下容易在界面发生界面滑动、坍塌等破坏性行为,因此对于两相介质材料在应力场和渗流场的耦合作用下,研究界面的抗剪力学性质以及渗透率的变化对于分析工程界面的稳定性具有至关重要的意义。本文以花岗岩/水泥砂浆试样为研究对象,其中花岗岩/水泥砂浆试样的水泥砂浆部分通过浇筑不同水灰比的水泥砂浆,确定水灰比(0.5水灰比、0.3水灰比)对界面的影响;为防止热冲击和热梯度对试样造成不可逆转的严重损伤,通过马弗炉以指定的加热速率加热至指定温度(25℃、150℃和250℃)后稳定一段时间后再以指定的降温速率降温至常温,确定热处理温度对界面的影响,通过自制垫片,利用温度-渗流-应力-化学(THMC)岩土介质多场耦合试验系统,对其开展了在不同围压(5、10、15和20MPa)作用下的剪切渗流耦合试验。测得热处理后花岗岩/水泥砂浆试样的密度和孔隙率,并对热处理后水泥砂浆试样进行比表面积、孔径和孔容分析,在此基础上,进行花岗岩/水泥砂浆试样界面的抗剪强度和渗透性试验,从宏细观角度分析界面抗剪强度和渗透率的演化规律,得到如下主要结论:(1)水灰比影响花岗岩/水泥砂浆试样界面的抗剪强度和渗透性,0.3水灰比花岗岩/水泥砂浆试样界面的抗剪强度大于水灰比为0.5的试样;0.3水灰比花岗岩/水泥砂浆试样界面渗透率总体趋势大于水灰比为0.5的试样;(2)花岗岩/水泥砂浆界面的抗剪强度随正应力的增大而逐渐增加。界面的渗透率随着正应力的增大而减小,并且渗透率减小的趋势随正应力的增大而减小。研究表明,正应力对花岗岩/水泥砂浆试样界面渗透率的影响大于水灰比和热处理温度;(3)热处理后的花岗岩/水泥砂浆试样,随着热处理温度的升高试样的密度下降而孔隙率变大,且经过250℃处理后试样孔隙率变化较大;经过热处理后的水泥砂浆试样,随着热处理温度的升高比表面积减小,孔体积和孔直径增大,0.5水灰比水泥砂浆试样经过热处理后孔体积变化较0.3水灰比大,而0.3水灰比水泥砂浆试样经过热处理后孔直径变化较大;(4)随着热处理温度的增加,花岗岩/水泥砂浆试样界面的抗剪强度、内摩擦角和粘聚力逐渐减小,且温度对0.3水灰比的花岗岩/水泥砂浆试样界面渗透率的影响大于水灰比为0.5的试样;(5)花岗岩/水泥砂浆试样界面破坏后的渗透率稳定趋势受热处理温度影响。花岗岩/水泥砂浆试样界面的渗透率最终稳定时所需的时间,随着热处理温度的升高而增大。水灰比对花岗岩/水泥砂浆试样界面破坏后的渗透率稳定趋势影响并不明显。