碳质岩石力学性质及其与砂浆界面抗剪强度

《Soils and Foundations》：Mechanical properties of carbonaceous rocks and their shear strength at interface with mortar

　　

碳质岩石易崩解，难以制备标准试样以评价其抗压强度。研究人员对新鲜与风化碳质岩石开展点荷载试验，探究不同条件下抗压强度变化规律；测定碳质岩石-砂浆界面抗剪强度，并系统分析相应应力-应变行为。试验结果表明，点荷载试验是评价碳质岩石抗压强度的有效方法之一。计算所得抗压强度Rc在新鲜与风化岩石间呈现明显变异性，但其统计分布均服从正态模式。Rc期望值可作为评价指标，新鲜与风化工况分别为127.65 MPa和50.06 MPa。浸泡2天致Rc降低超50%，软化系数KR随浸泡延至1个月降至0.38，并提出KR与浸泡时间呈指数衰减关系。边坡表层风化岩风化系数0.392，归为强风化。岩石-砂浆界面应力-位移曲线可划分为弹性、弹塑性、软化与稳定段。黏聚力与摩擦角变异性大，与受试碳质岩石各向异性及崩解性一致。

研究背景方面，碳质岩石广泛分布于中国西南，具易崩解、低强度、高有机碳（TOC）等劣化工程属性，夏季高温多雨常诱发边坡失稳与路基过量沉降。水泥砂浆护坡虽能提升表稳与抗蚀性，但碳质岩石因高崩解性难制标准试样，常规单轴/三轴压缩试验受限，且岩石-人工材料界面力学行为不明。为此，研究人员以广西百色巴坪公路边坡新鲜与风化碳质岩石为对象，结合点荷载试验与界面直剪试验，揭示其强度演化与界面剪切机制，成果发表于《Soils and Foundations》。

关键技术方法上，研究人员采集广西百色巴坪公路边坡中部新鲜块体与表层风化块体各数百块（新鲜300、风化300用于点荷载），蜡封保鲜；点荷载试验采用STDZ-3仪（最大100 kN），按JTG 3431-2024计算点荷载强度指数I_s并经尺寸校正得I_s(50)，借经验式R_c=22.82×I_s(50)^0.75换算抗压强度；水浸软化设0.5~30 d工况，定义软化系数K_R与风化系数K_F；界面剪切制备100 mm立方体（岩块居中标模浇筑、对中切开、腻子隔缝二次浇筑成半岩半浆界面），M25/M30/M35砂浆，电液伺服仪以5~20 kN法向力、0.02 mm/s剪速至5 mm位移，按Mohr-Coulomb准则拟合黏聚力c与内摩擦角φ。

研究结果部分，2节材料方法中已述样本源于百色巴坪公路边坡失效区，新鲜岩天然含水率1.025%~1.687%、干密度2.685~2.791 g/cm³，风化岩相应1.516%~2.237%、2.437~2.515 g/cm³，化学主量C/O/Si/Al＞90%。3.1节新鲜岩R_c频数分布71.67~196.37 MPa，Kolmogorov-Smirnov检验P=0.068＞0.05证正态分布，期望E(R_c)=127.65 MPa作特征指标。3.2节风化岩R_c期望50.06 MPa，K_F=50.06/127.65=0.392判为强风化。3.3节水浸软化显示2 d浸泡R_c降幅＞50%，30 d时K_R=0.38，K_R~time服从指数衰减。3.4节岩石-砂浆界面应力-位移曲线分弹性、弹塑性、软化、稳定四段；同砂浆等级下新鲜岩界面c与φ高于风化岩，M25~M35砂浆强度提升使界面c增大但φ变幅小；纯浆对比样无岩界面故呈纯砂浆剪切特征。黏聚力与摩擦角离散度大，呼应碳质岩石各向异性与崩解性。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出点荷载试验配以正态分布期望可替代标准试样法初评碳质岩石强度；K_R指数模型量化了水浸劣化速率，为暴雨季边坡设计提供时长依据；K_F=0.392的强风化判定衔接工程岩体风化分级。界面四阶段曲线揭示岩-浆黏结先于砂浆基体屈服，c值受岩面炭质污染与浆体渗透影响显著，φ值偏低于纯砂浆反映光滑切面的滚动摩擦缺失。结论为：点荷载试验适用于碳质岩石R_c评价，新鲜与风化期望127.65 MPa、50.06 MPa；水浸2 d强度折减过半，K_R随期指数降至0.38；风化系数0.392定强风化；岩-砂浆界面应力-位移具四段式，c与φ高变异性源于岩石各向异性与崩解。该研究为优化水泥砂浆护坡与界面抗剪设计提供了统计法与劣化模型支撑。