梁 越，儲 昊，曾 超（1.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098；3.重慶交通大學河海學院，重慶 400074）

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干濕循環(huán)作用下鋼土界面剪切特性試驗

梁 越1，2，儲 昊1，3，曾 超1，3
（1.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；
2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098；3.重慶交通大學河海學院，重慶 400074）

摘要：為研究干濕循環(huán)作用下鋼土界面剪切特性對鋼護筒嵌巖樁周土軟化變形規(guī)律的影響，通過改進的室內直剪試驗，設計一定含水率、干密度、級配的初始試樣，進行了初始狀態(tài)和4次干濕循環(huán)共5組工況的試驗，依次在50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa這4種法向應力條件下進行鋼土界面和土體本身的剪切試驗。試驗結果表明：干濕循環(huán)對土體本身的影響大于對鋼土界面抗剪強度的影響；鋼土界面剪切過程中應力應變關系呈彈塑性變化，沒有出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象；鋼土界面和土體本身摩擦角變化不大，而黏結力呈先增大后減小的變化趨勢。

關鍵詞：鋼土界面；剪切特性；干濕循環(huán)；抗剪強度；嵌巖樁

隨著內河航運的發(fā)展，在長江中上游的內河碼頭建設中，大尺寸鋼護筒嵌巖樁正被廣泛應用。鋼護筒嵌巖樁嵌巖段以上一般為岸坡回填覆蓋層，樁基在覆蓋層內受到的側阻力對鋼護筒嵌巖樁的承載性能有較大的影響。樁基在施工過程中，往往先開挖修筑樁體，然后回填土體并碾壓夯實。填筑結束后，填土早期為非飽和土，在降雨頻繁期逐漸浸水轉變?yōu)轱柡屯?，在枯水期則又變回非飽和土?？梢姡诩竟?jié)性降雨變化情況下，填土的飽和狀態(tài)呈現(xiàn)交替變化，即土體干濕循環(huán)。土體強度及穩(wěn)定性在干濕循環(huán)作用下，可能發(fā)生不可逆的變化，不可忽視其影響效應。王亞坤等[1]認為由于干濕循環(huán)破壞了土的原有結構，使泥巖結構崩解，黏結力減小，從而導致風化泥巖的抗剪強度和CBR強度逐漸減小，并且減小趨勢隨循環(huán)次數(shù)的增多而變緩，內摩擦角也會稍微減小。龔壁衛(wèi)等[2]針對膨脹土干濕循環(huán)過程中的吸力變化和強度變化特征研究后認為土水特征曲線是不穩(wěn)定的，它與土體含水率的變化路徑有關，并且在干濕循環(huán)過程中，相同的吸力具有不同的強度貢獻。汪東林等[3]針對非飽和重塑黏土，結合收縮曲線和土水特征曲線，探討試樣在干燥收縮過程中基質吸力與孔隙比之間的關系，結果表明：試樣收縮系數(shù)和土水特征曲線與凈平均應力密切相關；試樣在吸濕過程中，在低凈平均應力下發(fā)生膨脹，而在較高凈平均應力下試樣在膨脹后發(fā)生坍塌。張芳枝等[4]和曹玲等[5]進行了干濕循環(huán)對非飽和土體力學特性、強度特性的研究。詹良通等[6]通過一系列吸濕試驗、等吸力壓縮固結試驗和等吸力剪切試驗，得到了在等向壓縮固結過程中，該非飽和膨脹土的屈服應力隨吸力增大而增大，而屈服后的壓縮系數(shù)隨吸力增大而減小的規(guī)律，表明吸力對土體具有硬化作用。國內學者也做了大量膨脹土膨脹特性、強度特性、接觸面剪切特性等研究[7-13]。

國內外針對干濕循環(huán)對土體影響的研究主要從收縮曲線、水體特征、基質吸力、力學特性、變形和強度特性等方面開展。本文主要研究干濕循環(huán)對鋼土界面剪切特性的影響，從鋼土界面剪切規(guī)律、抗剪強度和強度指標變化入手，基于界面剪切特性確定樁側阻力隨干濕循環(huán)變化次數(shù)的計算原則。

1 試驗裝置和方案

1. 1 試驗材料

長江上游泥巖分布廣泛，且開采出來的泥巖料常用于碼頭回填，故而本文選取泥巖為試驗土料，土料取自重慶港口，考慮到試驗材料用于碼頭回填和打樁時對樁周土的擾動，為了與實際情況相符，土樣采用重塑土，其制備方法是將土風干后進行篩分，按原狀土樣的含水量和干密度加水拌和、壓實而成。對土樣進行基本的物理特性試驗，測得其基本性質指標如下：土顆粒相對密度為2. 72，塑限為21. 2%，液限為39. 6%，最大干密度為1. 92 g/ cm3。試樣設計干密度為1. 85 g/ cm3，含水率為8%，試樣顆粒級配曲線見圖1。

圖1 顆粒級配曲線

1. 2 試驗儀器

試驗儀器在現(xiàn)有直剪儀上改進而得到，具體改進措施為：在下剪切盒上放置鋼板，鋼板各邊邊長與下盒斷面邊長相同，厚度為3 mm，且在鋼板上進行人工鉆孔，孔位置與下剪切盒孔位置重合，并通過銷釘將鋼板固定于下剪切盒上且銷釘高度與鋼板面平齊，使得鋼板在水平方向上與下剪切盒無相對位移，上、下剪切盒尺寸為100mm×100 mm×30 mm（長×寬×高，下同）；鋼板尺寸為100 mm×100 mm×3 mm；試樣直徑為61. 8 mm，高度為20 mm，如圖2所示。根據(jù)土工試驗規(guī)范，直剪過程中最大水平位移為6 mm，相對于鋼板平面而言，改進的直剪儀在整個剪切過程中土樣與鋼板的接觸面積是不變的，彌補了常規(guī)直剪中土樣剪切面積逐漸縮小這一缺點。為了減小上剪切盒與鋼板的摩擦，在其上剪切盒上涂抹聚四氟乙烯。

圖2 剪切試驗裝置示意圖

1. 3 試驗方案

試驗采用改進的應變控制式直剪儀研究干濕循環(huán)對鋼土界面剪切特性的影響。每組試驗在常溫下進行快剪試驗，每分鐘剪切位移為2. 4 mm。試驗中測力計讀數(shù)達到穩(wěn)定值或有顯著后退，表示試樣已經剪損。隨著法向應力的增大，達到最大剪切應力時對應的剪切位移也隨之增大，直剪儀轉輪每轉動一圈記錄下水平和豎直位移百分表的讀數(shù)?？紤]干濕循環(huán)對鋼土接觸面剪切特性的影響，設計干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、1次、2次、3次、4次，每組干濕循環(huán)下均做4組試驗，設計法向應力為4級，分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。試樣制備完成后稱量其環(huán)刀和土樣的總質量，根據(jù)干密度和含水率計算一個環(huán)刀內土和水的質量，這樣可以通過質量來控制土樣是否達到脫水全干和完全飽和。初始時制備了40個試樣，每干濕循環(huán)1次后提取8個試樣進行稱量，達到設計要求后進行試驗，剩下的繼續(xù)進行干濕循環(huán)直到對應循環(huán)次數(shù)完成。

1. 4 干濕循環(huán)路徑設計

干濕循環(huán)的路徑有許多種，不同的路徑可能會產生不同的影響。本次試驗設計路徑為：初始試樣→脫水全干→完全飽和→初始試樣，這樣為1次干濕循環(huán)，其余過程一致。判斷每次循環(huán)是否完成的標準是將初始試樣進行編號并稱量每個試樣的質量，利用小太陽并自然風干2～3 d左右使其完全達到風干狀態(tài)；利用真空飽和器飽和1d左右使其完全飽和，取出試樣后再進行自然風干，每隔一段時間稱量每個編號試樣的質量，并與初始試樣進行對比，當與初始試樣質量相差很小時可以認為干濕循環(huán)完成。

2 試驗結果及分析

2. 1干濕循環(huán)后應力位移關系

圖3為法向應力為50kPa時不同干濕循環(huán)次數(shù)下鋼土界面剪應力τ與水平位移λ的關系曲線。由圖3可知，不同干濕循環(huán)次數(shù)下，剪應力隨水平位移的增加呈彈塑性變化，可見明顯的彈性階段和塑性階段，沒有出現(xiàn)應變軟化現(xiàn)象，并且剪應力達到峰值時對應的剪切位移大致相同；此外，在50 kPa下，鋼土界面第1次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)時抗剪強度增長了18. 90%，第2次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)減小了3. 94%，第3次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)減小了7. 87%，第4次干濕循環(huán)相比第3次循環(huán)變化不大；說明干濕循環(huán)對鋼土界面的抗剪強度并不是隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，反而出現(xiàn)了第1次干濕循環(huán)后抗剪強度增長的現(xiàn)象。在第1次干濕循環(huán)過程中，由于泥巖自身的崩解以及水對黏土礦物的水化作用，使土體內的膠結物溶解和析出，增大了顆粒間的黏結力，表現(xiàn)出黏結力增大同時內摩擦角變化很小的規(guī)律，根據(jù)莫爾庫倫強度理論τ＝c＋σtanφ可知τ會增長。

圖3鋼土界面剪切位移剪應力關系曲線

通過圖4可以看出土體本身干濕循環(huán)后有明顯的應力軟化現(xiàn)象，不同干濕循環(huán)次數(shù)下剪切應力峰值對應的剪切位移不同。50 kPa法向應力作用下，第1次干濕循環(huán)后土體本身抗剪強度比初始狀態(tài)減小了3. 07%，第2次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)增大了29. 37%，第3次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)增大了5. 06%，第4次干濕循環(huán)相比第3次循環(huán)變化不大。當法向應力為100 kPa、150 kPa、200 kPa時，均有類似的變化規(guī)律，只是變化幅度稍微緩和。通過鋼土界面和土體本身的數(shù)據(jù)對比，說明干濕循環(huán)對土體本身抗剪強度的影響要大于對鋼土界面抗剪強度的影響。

圖4土體剪切位移剪應力關系曲線

2. 2 干濕循環(huán)后極限抗剪強度與法向應力關系

圖5表示不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下的法向應力σ和極限剪應力τc的關系曲線，可以看出，法向應力與極限剪應力呈良好的線性關系，即試驗得到的鋼土界面剪切強度符合摩爾庫侖準則，并且出現(xiàn)鋼土界面直剪試驗第1次循環(huán)抗剪強度包線最靠上，第3次循環(huán)抗剪強度包線位置最靠下，第4次與第3次循環(huán)幾乎重合。說明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鋼土界面極限抗剪強度先增大后減小并在3～4次循環(huán)后達到穩(wěn)定。

圖5鋼土界面法向應力極限剪應力關系曲線

2. 3 干濕循環(huán)對抗剪指標的影響

由表1可知，無論是鋼土界面還是土體本身隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加摩擦角φ變化很小，說明干濕循環(huán)對鋼土界面和土體本身滑動和咬合影響不大。在鋼土界面上顆粒間的滑動表現(xiàn)在顆粒與鋼板之間，滑動的接觸面積不變，鋼板表面的光滑程度一定，根據(jù)u＝tanφ，摩擦系數(shù)u不變，因而摩擦角φ不變，對于土體本身顆粒間的咬合作用，在試驗過程中剪切面大部分位于鋼板與土之間，可知滑動摩擦起主導作用，綜上所述，干濕循環(huán)對鋼土界面的摩擦角影響不大。

表1 干濕循環(huán)次數(shù)與黏結力和摩擦角的關系

圖6、圖7分別為鋼土界面和土體本身黏結力隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，由圖可知，鋼土界面和土體本身的黏結力均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢。一般而言，影響土黏結力大小的因素大致有5種：靜電引力、范德華力、顆粒間的膠結、顆粒間接觸點的化合鍵以及表觀黏結力[14]，本試驗中對黏結力大小起決定性作用的是顆粒間的膠結；在循環(huán)開始時，由于泥巖自身的崩解以及水對黏土礦物的水化作用，土體內的膠結物溶解和析出，顆粒間形成一種很強的化學鍵，增強了顆粒間的黏結作用，從而提高了土體的黏結力；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒間的這種化學鍵不斷地破壞，表現(xiàn)為黏結力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小。

圖6鋼土界面黏結力干濕循環(huán)次數(shù)關系曲線

圖7土體本身黏結力干濕循環(huán)次數(shù)關系曲線

3 結 論

a.不同干濕循環(huán)次數(shù)對鋼土界面的剪切強度有不同的影響，第1次干濕循環(huán)后抗剪強度增大，第2次循環(huán)后抗剪強度減小，第3次循環(huán)后降至最低，而第4循環(huán)與第3次循環(huán)相比變化不大。

b.不同法向應力下干濕循環(huán)對鋼土界面的抗剪強度影響不同，隨著法向應力的增大，干濕循環(huán)的影響變得越不明顯。在50 kPa下干濕循環(huán)對鋼土界面的抗剪強度影響較大，變化值在-3. 94%～-7. 87%。

c.干濕循環(huán)對土體本身抗剪強度的影響要大于對鋼土界面抗剪強度的影響。

d.干濕循環(huán)對鋼土界面和土體本身內的摩擦角影響不大；鋼土界面和土體本身黏結力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈先增大后減小的趨勢。

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Experimental study on shear characteristics at steel-soil interface with drying-wetting cycles/ /

LIANG Yue1，2，CHU Hao1，3，ZENG Chao1，3（1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；3. School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：In order to study the influence of the shear properties at the steel-soil interface with drying-wetting cycles on the softening deformation of soil around the steel-casing rock-socketed pile，initial samples with a certain moisture content，dry density，and gradation were designed. And shear tests on the steel-soil interface and soil body were carried out in five cases，including a initial state and four different numbers of drying-wetting cycles. In each case，samples were subjected to four vertical pressures：50 kPa，100 kPa，150 kPa，and 200 kPa. The results show that the influence of drying-wetting circles on the shear strength of soil is greater than that on the shear strength of the steel-soil interface. During the shear process，there is an elastic-plastic stress-strain relationship，and no strain-softening phenomenon occurs at the steel-soil interface under drying-wetting circles. With the increase of the number of drying-wetting circles，the friction angles of the steel-soil interface and soil change little，while their cohesive forces increase first and then decrease.

Key words：steel-soil interface；shear characteristics；drying-wetting cycle；shear strength；rock-socketed pile

收稿日期：（2014 10 09 編輯：駱超）

作者簡介：梁越（1985—），男，副教授，博士，主要從事大尺寸樁基承載性狀等研究。E-mail：liangyue2560@163. com

基金項目：國家自然科學基金（51409029）；重慶市基礎與前沿研究計劃（cstc2013jcyjA30006）；巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室開放研究基金（GH201303）

中圖分類號：TU411. 7

文獻標志碼：A

文章編號：1006 7647（2016）01 0049 04