趙聯(lián)楨，陳生水，楊東全，鐘啟明，張宏斌

(1. 海南大學，海南?？凇?70228； 2. 南京水利科學研究院，江蘇南京　210029)

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凍砂土-結(jié)構(gòu)接觸面恒溫循環(huán)剪切性能研究

趙聯(lián)楨1,2，陳生水2，楊東全1，鐘啟明2，張宏斌1

(1. 海南大學，海南海口570228； 2. 南京水利科學研究院，江蘇南京210029)

摘要：凍土-結(jié)構(gòu)接觸面是凍土區(qū)建筑基礎的薄弱地帶，開展人工凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切性能研究對改善凍土區(qū)建筑的耐久性具有重要意義。運用大型凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪設備對凍砂土-結(jié)構(gòu)接觸面在恒溫條件下的循環(huán)剪切性能進行了試驗研究。結(jié)果表明：(1)在第1個剪切循環(huán)的初始階段凍土接觸面會出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象；當起始法向應力不大于500 kPa時，最大剪脹量會隨著法向應力的增大而增大，而起始法向應力為700 kPa時接觸面剪脹又呈減小趨勢。(2)從整體趨勢來看，法向位移隨剪切循環(huán)的增長呈先迅速增大后緩慢增長趨勢，而在每個循環(huán)內(nèi)部均出現(xiàn)了有規(guī)律的峰狀突起。(3)峰值剪應力隨剪切循環(huán)的增加都呈先快后慢的減小趨勢，兩者之間呈雙曲線關(guān)系；而且在第1個循環(huán)的初始階段都會產(chǎn)生1個由凍結(jié)力和滑動摩擦共同作用而導致的剪應力最大值，最大剪應力隨起始法向應力的增大而增大。

關(guān)鍵詞：凍砂土； 接觸面； 循環(huán)剪切； 恒溫

無論從世界范圍，還是從中國實際情況來看，凍土分布都非常廣泛[1]。在凍土區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)和周圍凍土體之間會形成大量的凍土-結(jié)構(gòu)接觸面。由于凍土獨特的力學和熱學特性，凍土-結(jié)構(gòu)接觸面和常溫土-結(jié)構(gòu)接觸面在力學行為上存在顯著不同。此外，由于凍土-結(jié)構(gòu)接觸面兩側(cè)材料剛度存在明顯差異，此類接觸面在循環(huán)荷載作用下往往會成為建筑事故多發(fā)地帶。從一個較短的時間尺度內(nèi)來看，凍土的溫度變化速率很小，因此對凍土-結(jié)構(gòu)接觸面恒溫剪切性能研究具有重要意義。

目前國內(nèi)外學者對凍土-結(jié)構(gòu)接觸面的研究還不太成熟，現(xiàn)將該領(lǐng)域有代表性的研究成果歸納如下。與常溫土-結(jié)構(gòu)接觸面[2]相比，凍土-結(jié)構(gòu)接觸面具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)和力學特性[3]。這種強烈的粘結(jié)作用會對凍土與接觸面的剪切性能產(chǎn)生重大影響[4]。凍土溫度除了對接觸面的凍結(jié)力有影響之外，還會影響破壞顆粒尺寸[5]。陳湘生等[6]通過開展人工凍結(jié)黏土在不同負溫和圍壓下的三軸試驗，得到如下結(jié)論：①凍土黏結(jié)力與負溫之間呈近似線性關(guān)系；②凍土的排氣三軸強度符合有效應力原理；③莫爾-庫倫定律在圍壓小于10 MPa時有效，而當圍壓為10～16 MPa時就需采用拋物線準則，文中還給出了凍土強度準則的線性和非線性數(shù)學描述公式。呂鵬等[7]就凍土-混凝土接觸面動剪強度展開研究，認為凍土-混凝土接觸面的動強度幅值與溫度、法向壓力、含水率、表面粗糙度、加載循環(huán)次數(shù)有關(guān)。趙聯(lián)楨等[8-10]先后研制了一臺凍土接觸面直剪儀用于凍土-混凝土接觸面的研究，結(jié)果表明剪切破壞時對應的剪切位移不大于2 mm。溫智等[11]開展了青藏粉土-玻璃鋼接觸面力學特性直剪試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)：青藏粉土-玻璃鋼接觸面屈服時相應剪切位移很小，應變硬化階段短暫或不顯著；凍結(jié)狀態(tài)下接觸面應力-位移性狀呈脆性破壞型，存在明顯峰值。汪仁和等[12]進行了凍土中單樁的室內(nèi)抗拔模型試驗，研究了在不同凍結(jié)溫度下凍土中單樁在豎向上拔荷載作用下的承載力特性及其力學性狀，分析了樁的軸力、樁土之間的凍結(jié)力沿樁身的分布規(guī)律，樁頭豎向位移與荷載的關(guān)系，并且定量分析了凍結(jié)力和承載力與凍結(jié)溫度的關(guān)系。徐春華等[13]依據(jù)側(cè)向凍結(jié)力試驗無厚度的非線性接觸面單元模擬樁土界面，采用雙曲線非線性模型編制三維非線性有限元程序。結(jié)果表明：樁周凍土溫度、樁徑、樁長強烈影響著樁側(cè)凍結(jié)力的分布狀態(tài)，增大樁徑是提高工程樁承載力、減小沉降量的有效措施；增大設計樁長對提高工程樁承載力貢獻較小。

在實際工程中，常剛度法向邊界是一種比較常見的法向邊界；另外，凍土區(qū)工程界面經(jīng)常處于循環(huán)荷載(如風力、波浪和地震等)作用之下。因此，進行凍土與結(jié)構(gòu)接觸面在此類試驗條件下的循環(huán)剪切試驗對凍土與結(jié)構(gòu)接觸面研究具有重要的現(xiàn)實意義,本文運用自主研制的大型凍土接觸面直剪設備開展了一系列凍土與結(jié)構(gòu)接觸面在常法向剛度邊界下的恒溫循環(huán)剪切試驗，對凍土接觸面的力學特性和變形行為進行深入研究與分析。

1 試驗材料及參數(shù)

1.1試驗材料與設備

本文選擇南京地區(qū)典型砂土(埋深20 m)作為試驗對象，其主要性能如表1所示，試驗用水為自來水。試驗設備為大型多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪儀DDJ-1[14]，主要參數(shù)為：試樣長20 cm，寬10 cm，法向荷載20 kN(精度±0.3%)，切向荷載100 kN(精度±1%)，法向極度限位移10 cm(精度±10-4cm)，切向極限位移20 cm(精度±10-3cm)，溫控范圍為(-30～30)℃(精度±0.3℃)。

表1　南京砂土物理力學特性

1.2試驗內(nèi)容

試驗過程如下：①把土樣裝入剪切盒；②安裝剪切粗糙面板；③設定試驗參數(shù)并啟動壓縮機，制冷液開始在剪切盒周圍循環(huán)，土樣溫度逐漸降低，溫度傳感器實時記錄土樣溫度并同步反饋給溫度自穩(wěn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當土樣溫度降到目標值時，溫度自穩(wěn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入恒溫模式(土體溫度高于目標溫度時，壓縮機啟動，反之則關(guān)閉，從而保持溫度恒定，溫控精度為±0.3℃)；④溫度穩(wěn)定后，施加法向邊界條件；⑤溫度再次穩(wěn)定后，施加啟動水平加載裝置實施剪切；⑥達到設定剪切次數(shù)后，關(guān)閉水平加載系統(tǒng)、豎向加載系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)，提升結(jié)構(gòu)面板，取下試樣。

表2　凍土-結(jié)構(gòu)接觸面試驗內(nèi)容

開展的試驗為凍砂土-結(jié)構(gòu)接觸面恒溫常剛度循環(huán)剪切試驗。試驗時以下參數(shù)固定：砂土含水率為24%，鋼板粗糙度為0.8 mm，剪切幅度為11 mm，剪切速率為5 mm/min，數(shù)據(jù)采集周期為2.4 s，法向剛度為1 600 kg/cm。由于剪切時接觸界面面積保持不變，所以可用相對法向位移的變化來表征凍土體積的變化，并規(guī)定剪脹為負，剪縮(即法向位移的減小)為正。相對剪切位移以向右為正，向左為負；剪應力以向右剪切為正，向左為負。主要試驗內(nèi)容如表2所示。

2試驗結(jié)果分析

恒溫常剛度試驗的曲線包括：相對法向位移v與循環(huán)次數(shù)N，相對法向位移v與相對切向位移u，法向應力σ與循環(huán)次數(shù)N，法向應力σ與相對法向位移v的關(guān)系曲線，法向應力σ與相對切向位移u，剪應力τ與循環(huán)次數(shù)N，剪應力τ與法向應力σ的關(guān)系曲線。

2.1300 kPa起始法向應力常剛度試驗分析

圖1給出了起始法向應力為300 kPa條件下凍砂土與粗糙鋼板循環(huán)剪切試驗結(jié)果。

圖1　300 kPa起始法向應力常剛度剪切試驗結(jié)果Fig.1　Testing results under initial normal stress of 300 kPa

由圖1(a)可以看出，在循環(huán)起始階段相對法向位移出現(xiàn)了較明顯的剪脹(0.02 mm)，這主要是因為在粗糙鋼板的剪切作用下原來均勻致密的冰土膠結(jié)體變得相對松散和雜亂，所以會出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。而從整個循環(huán)過程來看，凍土接觸面在常剛度循環(huán)剪切條件下會產(chǎn)生較大的相對法向位移，且法向位移隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈宏觀上的增加趨勢，不過增加的速率逐漸減小；這是因為隨著剪切循環(huán)的進行，原來體積較大的冰土結(jié)晶體會變成較小的微粒，凍土的空隙因細小微粒的填充而減少，密實度得到提高，所以凍土接觸面的相對法向位移在剪切循環(huán)的中后期呈緩慢增加趨勢。雖然相對法向位移在總體循環(huán)上呈增大趨勢，但從每個循環(huán)內(nèi)部來看，相對法向位移先減小后增大，呈山峰狀(峰谷距約為0.07 mm，且呈緩慢增大趨勢)；這說明相對法向位移由兩部分組成，即可逆部分和不可逆部分。由圖1(a)和1(b)可知，相對法向位移v與相對切向位移u關(guān)系曲線從上至下逐漸濃密，相對法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與最大峰值(第30次循環(huán)的峰值)的比值分別為0.52，0.81，0.87，0.92，0.96，0.98，這說明相對法向位移在第5次循環(huán)后會進入一個比較明顯的緩慢發(fā)展階段。

由圖1(c)可見，法向應力隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈先迅速減小后緩慢降低的趨勢，這和相對法向位移增加的趨勢大致吻合，由圖1(d)可知，法向應力與相對法向位移確實在大致上呈線性關(guān)系，其斜率絕對值為80.596 kPa/mm，這和儀器選用的法向剛度(1 600 kg/cm)是一致的(計算式見式(1))，從而也從側(cè)面證明了儀器的精確性。由圖1(c)和1(e)可知，法向應力σ與相對切向位移u關(guān)系曲線從上至下逐漸濃密，法向應力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)的峰值差值Δσ與Δσmax(第1次與30次循環(huán)的峰值之差)的比值分別為0.52，0.76，0.83，0.90，0.93，0.97，這說明法向應力的減小在前5次循環(huán)已經(jīng)完成了大部。在每個循環(huán)內(nèi)部法向應力均有峰狀凸起，峰谷距約為5.2 kPa，這意味著法向應力存在可逆部分。

(1)

由圖1(f)可知，剪應力在第1次剪切循環(huán)初始階段產(chǎn)生1個遠大于其他剪應力的極大值(307.5 kPa)，隨后剪應力迅速減小；此后，凍土與結(jié)構(gòu)接觸面之間的剪應力在諸循環(huán)內(nèi)的峰值隨剪切循環(huán)的增加呈不斷減小趨勢，且減小速率在開始的幾個循環(huán)內(nèi)較大，隨后逐漸降低。剪應力在第2次、第5次、10次、15次、30次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)峰值的比值分別為0.46，0.41，0.36，0.33，0.30，這也說明剪應力在第1次剪切循環(huán)時會出現(xiàn)1個非常顯著的減小。而常溫土與結(jié)構(gòu)接觸面在類似循環(huán)剪切條件下剪應力的變化規(guī)律是：剪應力隨循環(huán)的進行呈較均勻的減小趨勢，但是在初始階段不會出現(xiàn)1個剪應力極大值，而且剪應力在剪切終了階段的數(shù)值約為其初始值的26%。

出現(xiàn)上述兩種不同規(guī)律的機理如下：對于凍土接觸面而言，在凍土與接觸面的膠結(jié)狀態(tài)破壞之前，剪應力由兩部分組成：其一是結(jié)構(gòu)面板和凍土之間由于冰的膠結(jié)作用產(chǎn)生的凍結(jié)力；其二是兩者之間的摩擦力。隨著剪切位移的增大，膠結(jié)狀態(tài)會在粗糙面板的剪切作用下迅速破壞，這時凍結(jié)力迅速衰減為零；此后，剪切力僅由滑動摩擦力組成，破碎的冰土膠結(jié)物會在持續(xù)的剪切之下部分冰產(chǎn)生融化，且冰土膠結(jié)物逐漸變得更細更密實，再加之法向應力也會隨循環(huán)進行而減小，所以剪應力峰值隨剪切循環(huán)的進行逐漸減小。對于常溫土接觸面而言，剪應力一直僅由滑動摩擦力組成，而且與凍土相比，常溫土的強度要小得多。如果常溫土可以看成塑性體，那么在一個較小的時間尺度上，凍土可以看做剛性體。所以常溫土接觸面在循環(huán)剪切作用下，剪應力的衰減一直比較穩(wěn)定；而凍土接觸面的剪應力，只在接觸面膠結(jié)狀態(tài)變化比較明顯的前10個循環(huán)衰減較快。

另一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)慶活動中，主持人也常常提到海外僑民對節(jié)慶活動的貢獻，例如僑民組織或個人贊助了某項活動，或者為抽獎活動提供了獎品等。節(jié)日中另一些場合，例如校舍竣工儀式等，也會拉橫幅感謝作出貢獻的僑民。海外僑民的貢獻在鄉(xiāng)鎮(zhèn)節(jié)慶中是顯性的存在、公開的話語。

圖1(g)表明，剪應力峰值會隨法向應力的減小而減小，并且二者存在線性關(guān)系；剪應力為正時的斜率絕對值要小于剪應力為負時的。

2.2500和700 kPa起始法向應力常剛度試驗

圖2給出了起始法向應力為500 kPa條件下凍砂土與粗糙鋼板循環(huán)剪切試驗結(jié)果。

圖2　500 kPa起始法向應力常剛度剪切試驗結(jié)果Fig.2　Testing results under initial normal stress of 500 kPa

由圖2可見，當試驗的起始法向應力為500 kPa時，諸曲線的變化趨勢與起始法向應力為300 kPa時諸曲線的變化規(guī)律非常類似，只是存在著數(shù)值大小上的差異,因此在此僅作簡要介紹。

由圖2(a)和(b)可知：剪切初始階段的剪脹為0.068 mm；在每個剪切循環(huán)內(nèi)部，相對法向位移的峰谷距約為0.09 mm；相對法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與最大峰值(第30次循環(huán)的峰值)的比值分別為0.23，0.60，0.75，0.86，0.91，0.96。

由圖2(c)，(d)和(e)可以看出:法向應力與相對法向位移呈線性關(guān)系，其斜率絕對值為80.02；在每個循環(huán)內(nèi)部法向應力峰谷距約為6.1 kPa；法向應力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)的峰值差值Δσ與Δσmax(第1次與30次循環(huán)的峰值之差)的比值分別為0.30，0.57，0.69，0.81，0.91，0.95。

由圖2(f)可知:剪應力在第1次剪切循環(huán)的初始階段產(chǎn)生的極大值為637 kPa；剪應力在第2次、第5次、10次、15次、30次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)峰值的比值分別為0.51，0.41，0.36，0.34，0.28。

由圖2(g)可知：剪應力峰值會隨著法向應力的減小而減小，并且二者存在線性關(guān)系；剪應力為正時的斜率絕對值要小于剪應力為負時的。

圖3給出了起始法向應力為700 kPa時凍砂土與粗糙鋼板循環(huán)剪切試驗結(jié)果。由圖3可以看出，當試驗的起始法向應力為700 kPa時，諸曲線的變化趨勢與起始法向應力為300和500 kPa時諸曲線的變化規(guī)律比較類似。

圖3　700 kPa起始法向應力常剛度剪切試驗結(jié)果Fig.3　Testing results under initial normal stress of 700 kPa

由圖3(a)和(b)可知：剪切初始階段的剪脹為0.033 mm，這說明在高圍壓之下，循環(huán)初始階段所產(chǎn)生的剪脹非常微小，法向應變主要表現(xiàn)為剪縮(即法向位移的減小)；在每個剪切循環(huán)內(nèi)部，相對法向位移的峰谷距約為0.11 mm,結(jié)合起始法向應力為300和500 kPa的兩組試驗可以發(fā)現(xiàn)：相對法向位移的峰谷距隨著法向應力的增加而增大，這是由于接觸帶可以看成彈塑性體，而其中的可逆性法向位移可以看成彈性變形，彈性變形又與法向應力保持正比例關(guān)系；相對法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與最大峰值(第30次循環(huán)的峰值)的比值分別為0.38，0.73，0.85，0.90，0.94，0.97。

由圖3(c)，(d)和(e)可以看出：法向應力與相對法向位移呈線性關(guān)系，其斜率絕對值為80.01；在每個循環(huán)內(nèi)部法向應力峰谷距約為6.5 kPa；法向應力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)的峰值差值Δσ與Δσmax(第1次與30次循環(huán)的峰值之差)的比值分別為0.36，0.59，0.75，0.84，0.91，0.98。

由圖3(f)可知:剪應力在第1次剪切循環(huán)的初始階段產(chǎn)生的極大值為831.8 kPa；剪應力在第2次、第5次、10次、15次、30次循環(huán)的峰值與第1次循環(huán)峰值的比值分別為0.53，0.44，0.38，0.35，0.32。

由圖3(g)可知：剪應力峰值會隨著法向應力的減小而減小，并且二者存在線性關(guān)系；剪應力為正時的線性斜率絕對值要小于剪應力為負時的。

3結(jié)語

通過開展凍砂土接觸面在恒溫常剛度法向邊界條件下的循環(huán)剪切試驗，得到主要結(jié)論如下：

(1)在剪切循環(huán)中，第1個循環(huán)的初始階段凍土接觸面會出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象；當起始法向應力為300，500和700 kPa時，恒溫剪切試驗出現(xiàn)的最大剪脹量分別為0.02，0.068，0.033 mm?？梢钥闯霎斊鹗挤ㄏ驊Σ淮笥?00 kPa時，試驗的最大剪脹量會隨著法向應力的增大而增大，而起始法向應力為700 kPa時接觸面的剪脹又呈現(xiàn)減小趨勢。

(2)在恒溫循環(huán)剪切試驗中，從整體趨勢來看，法向位移隨剪切循環(huán)的增長呈先迅速增大后緩慢增長趨勢，而在每個循環(huán)內(nèi)部均出現(xiàn)了有規(guī)律的峰狀突起，不同起始法向應力(從小到大)對應的法向位移平均峰谷距分別為0.07，0.09，0.011 mm，可見法向位移平均峰谷距隨著起始法向應力的增大而增大。

(3)在恒溫常剛度循環(huán)剪切試驗中，不論起始法向應力為多少，法向應力隨剪切循環(huán)的減小趨勢和法向位移隨剪切循環(huán)的增大趨勢是一致的，且兩者呈線性關(guān)系，其斜率為-80 kPa/mm。

(4)在恒溫剪切試驗中，峰值剪應力隨剪切循環(huán)的增加都呈先快后慢的減小趨勢，兩者之間呈雙曲線關(guān)系；而且在第1個循環(huán)的初始階段都會產(chǎn)生1個由凍結(jié)力和滑動摩擦共同作用而導致的剪應力最大值τmax。起始法向應力為300，500，700 kPa時，恒溫剪切試驗對應的τmax分別為307.5，637，831.8 kPa，可見最大剪應力隨著起始法向應力的增大而增大。

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Cyclic shear property studies on frozen silt-structure interface under constant temperature

ZHAO Lian-zhen1,2， CHEN Sheng-shui2， YANG Dong-quan1， ZHONG Qi-ming2， ZHANG Hong-bin1

(1.HainanUniversity,Haikou570228,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Abstract：Frozen soil-structure interface is the weak zone of building foundation, therefore, it is of great significance to study the cyclic shear property of the frozen silt-structure interface. By using the large-scale multi-functional cycle direct shear apparatus for the frozen soil-structure interface, the experimental studies of cyclic shear property of frozen silt-structure interface are carried out. The study results are as follows: (1) in the first cycle, the frozen soil shear zone displays the maximum dilatation at the beginning stage, and this maximum dilatation increases with the increase of initial normal stress when this initial normal stress is more than 500 kPa, and then decreases with the decrease of initial normal stress; (2) on the whole, the normal displacement increases with a cyclic loading time at a decreasing rate, and the peak-to-trough of normal displacement is observed inside each shear cycle; (3) the peak shear stress in each cycle decreases, but the rate of decrease gradually slows down with the cyclic loading time, and the relationship between the two is a hyperbolic curve. Moreover, the maximum shear stress formed under the joint actions of the freezing force and the frictional force between the structure and the frozen soil is observed in the initial stage of the first cycle. This maximum shear stress increases with the increase of initial normal stress.

Key words：frozen silt; interface; cyclic shear; constant temperature

中圖分類號：TU411.7

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)01-0093-07

作者簡介：趙聯(lián)楨(1984—)， 男， 山東滕州人， 講師， 博士， 主要從事巖土與地下工程的教學與研究。

基金項目：海南大學科研啟動基金項目(kyqd1504: VR23269001001001011)

收稿日期：2015-06-07

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.014

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E-mail: zhaolianzhen@163.com 通信作者：陳生水(E-mail: sschen@nhri.cn)