王鈺軻，萬(wàn)永帥，劉 琪，郭成超，石明生

(1.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001; 2.鄭州大學(xué) 重大基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)修復(fù)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001; 3.鄭州大學(xué) 水利與交通基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450001; 4.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州510275)

具有自膨脹特性的雙組分非水反應(yīng)類高聚物材料在解決特定復(fù)雜的工程災(zāi)害問(wèn)題中有突出的效果，是目前工程領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的研究方向，已在高鐵無(wú)砟軌道、地下管道、道路、廠房等結(jié)構(gòu)物抬升等工程，以及堤壩及地下工程防滲搶險(xiǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3].由于其具有安全環(huán)保、反應(yīng)迅速且可調(diào)節(jié)、膨脹率高、抗?jié)B防水、耐久性好等一系列特點(diǎn)且綜合性能優(yōu)良，在隧道、公路、橋梁、鐵路、大壩等基礎(chǔ)設(shè)施的加固和維修方面展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景[4-8].

隨著化學(xué)材料在各類土建工程中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，對(duì)本團(tuán)隊(duì)所提出的高聚物注漿材料的各項(xiàng)物理、化學(xué)及力學(xué)特性的深入研究顯得尤為重要.目前，已有很多學(xué)者就高聚物注漿材料的靜態(tài)力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、耐久性、膨脹特性、水穩(wěn)性、溫度穩(wěn)定性、界電特性、隔振性能等方面展開了相關(guān)研究[9-16].鄭新國(guó)[7]模擬了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)抬升時(shí)的重力反壓作用，研究了反壓成型高聚物注漿材料的膨脹特性及其固結(jié)體的力學(xué)性能.王娟等[8]通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)研究了軸壓荷載作用下高聚物碎石混合料的力學(xué)響應(yīng)，針對(duì)不同高聚物密度和碎石粒徑對(duì)樁體強(qiáng)度的影響規(guī)律進(jìn)行了探討.邊學(xué)成等[13]通過(guò)大型模型試驗(yàn)研究了高速鐵路路基沉降高聚物注漿修復(fù)后的動(dòng)態(tài)力性能.石明生等[14]研究了高聚物注漿材料的吸水特性及溫度變化對(duì)材料體積的影響，同時(shí)也探究了高聚物吸水后的脹縮特性.孟美麗等[15]采用網(wǎng)絡(luò)分析儀技術(shù)，對(duì)不同密度的試件在不同頻率下的介電性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和影響因素分析，研究了其介電特性和力學(xué)特性之間的關(guān)系.陳洋洋等[16]對(duì)某干涸河床一側(cè)的土壩壩頂進(jìn)行了高聚物的隔振性能試驗(yàn)，初步給出了高聚物注漿屏障隔振技術(shù)路徑可行性的試驗(yàn)依據(jù)，為進(jìn)一步的理論研究和分析工作奠定基礎(chǔ).

關(guān)于高聚物漿液成型后與其他土工材料接觸界面的力學(xué)特性研究尚未見報(bào)道.而關(guān)于土工材料的界面剪切特性，已有大量的研究.如：Liu等[17]和Wang等[18]通過(guò)一系列直剪以及循環(huán)剪切試驗(yàn)來(lái)探究土工格柵與土的界面特性，考慮了土顆粒粒徑、豎向應(yīng)力、剪切速率和剪切位移峰值等因素對(duì)筋-土界面力學(xué)性能的影響；劉方成等[19]通過(guò)單調(diào)直剪試驗(yàn)研究了接觸面粗糙度、豎向應(yīng)力以及土的物理狀態(tài)對(duì)粉質(zhì)黏土-混凝土界面力學(xué)性能的影響；王永洪等[20]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了剪切速率和豎向應(yīng)力對(duì)黏性土-混凝土界面抗剪強(qiáng)度的影響；石熊等[21]采用大型直剪儀進(jìn)行紅黏土與混凝土接觸面的單向直剪試驗(yàn)，研究了不同法向應(yīng)力與不同混凝土表面、不同粗糙度條件下紅黏土-混凝土界面的力學(xué)特性；徐超等[22]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了剪切速率、豎向應(yīng)力和材料特性對(duì)土工合成材料-砂土界面抗剪強(qiáng)度的影響；黃文彬等[23]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了剪切速率對(duì)土工合成材料-砂土界面特性的影響.

本文基于單調(diào)直剪試驗(yàn)，對(duì)高聚物-土工布界面與高聚物-砂土界面的剪切特性進(jìn)行研究，主要考慮剪切速率v、豎向應(yīng)力p對(duì)界面剪切應(yīng)力、剪切位移、抗剪強(qiáng)度和剪切模量的影響，旨在為非水反應(yīng)類高聚物材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供初步的數(shù)據(jù)參考和理論支撐.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

高聚物為非水反應(yīng)類雙組分發(fā)泡體，屬于聚氨酯類材料.砂土試樣為單一粒徑(1～2mm)的石英砂，其干密度為2.65g/cm3.土工布的單位面積質(zhì)量為300g/m2，橫向抗拉強(qiáng)度為12kN/m，縱向抗拉強(qiáng)度為10kN/m，橫向極限斷裂延伸率為64%，縱向極限斷裂延伸率為70%.

1.2 試件的制備

注漿模具主要由上、下中空的立方體鐵殼、鐵蓋板、長(zhǎng)通絲以及蓋板上的注漿頭等組成。試樣制備過(guò)程為：用長(zhǎng)通絲將上、下底面的鋼板通過(guò)螺絲固定,將2個(gè)鋼板壓在立方體的上、下2個(gè)面上，中空的立方體與上、下鋼板之間用雙層石棉紙密封并涂上潤(rùn)滑油，然后通過(guò)注漿頭開始注漿，注漿量根據(jù)方案設(shè)計(jì)的高聚物密度進(jìn)行確定；25℃下約1h后拆模，使高聚物漿液完全反應(yīng)，并形成足夠的強(qiáng)度，從而確保脫模成功；將試樣在車床上進(jìn)行加工，去掉邊角以及注漿頭位置處不規(guī)整的固結(jié)部分，即得到試件.試件尺寸有2種，分別為300mm×300mm×150mm和400mm×300mm×150mm，其密度均為0.2g/cm3.

1.3 試驗(yàn)方法

采用改進(jìn)的大型直剪儀，包括上、下2個(gè)剪切盒，其盒內(nèi)凈尺寸分別為300mm×300mm×150mm、400mm×300mm×150mm.為了實(shí)現(xiàn)剪切過(guò)程中剪切面積的恒定，下剪切盒沿剪切方向上的長(zhǎng)度大于上剪切盒的長(zhǎng)度，實(shí)行位移控制的直剪試驗(yàn).剪切試驗(yàn)過(guò)程中，上剪切盒固定不動(dòng)，下剪切盒在剪切方向上移動(dòng)，并由高精度電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪來(lái)加以控制，其水平方向的最大剪切位移可達(dá)100mm，可控制的剪切速率范圍為0.00003～15mm/min.本試驗(yàn)設(shè)定的剪切位移幅值為30mm，當(dāng)剪切位移達(dá)到30mm時(shí)結(jié)束試驗(yàn).單調(diào)直剪試驗(yàn)方案見表1.

表1 單調(diào)直剪試驗(yàn)方案

2 結(jié)果及分析

2.1 剪切速率對(duì)剪切應(yīng)力-剪切位移曲線的影響

豎向應(yīng)力p分別為50、100、150kPa時(shí)，高聚物-土工布界面的剪切應(yīng)力-剪切位移(τ-γ)曲線見圖1.由圖1可見：不同剪切速率下高聚物-土工布界面的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線均呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即剪切應(yīng)力均隨著剪切位移的增大而增大，到達(dá)峰值以后剪切應(yīng)力輕微減小后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即表現(xiàn)出剪切軟化的特性；不同剪切速率下τ-γ曲線走勢(shì)比較接近，但其剪切應(yīng)力峰值及其對(duì)應(yīng)的位移略有差別；剪切應(yīng)力峰值隨著剪切速率的增大而減小，但下降幅度不大，說(shuō)明剪切速率對(duì)高聚物-土工布界面的剪切特性具有一定的影響.

由圖1還可見：當(dāng)豎向應(yīng)力p=150kPa，剪切速率分別為2、3mm/min時(shí)，與其他加載條件下的情況不同，當(dāng)剪切應(yīng)力隨著剪切位移達(dá)到峰值后開始發(fā)生明顯的持續(xù)減小，這可能是由于土工布結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因而隨著剪切位移的增大，剪切應(yīng)力發(fā)生持續(xù)減小的現(xiàn)象.

豎向應(yīng)力p=100kPa時(shí)，高聚物-砂土界面的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線見圖2.由圖2可見：與高聚物-土工布界面的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線相似，不同剪切速率下高聚物-砂土界面的剪切應(yīng)力也是隨剪切位移增大而增大，到達(dá)峰值以后剪應(yīng)力減小，減小到一定程度后又趨于平緩，亦呈現(xiàn)出剪切軟化的特性；各剪切速率下曲線的剪切應(yīng)力峰值及其對(duì)應(yīng)的剪切位移值差別不大.

圖1 高聚物-土工布界面的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.1 τ -γ curves of polymer-geotextile interface

圖2 高聚物-砂土界面的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.2 τ -γ curves of polymer-sand interface(p=100kPa)

2.2 豎向應(yīng)力對(duì)剪切應(yīng)力-剪切位移曲線的影響

由圖1(b)可見：剪切速率v=2mm/min時(shí)，不同豎向應(yīng)力下高聚物-土工布界面的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線均呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，即剪切應(yīng)力均隨著剪切位移的增大而增大，到達(dá)峰值以后剪切應(yīng)力減小，減小到一定值后又逐漸趨于平緩，表現(xiàn)出剪切軟化的特性；不同豎向應(yīng)力下曲線的剪切應(yīng)力峰值及其對(duì)應(yīng)的剪切位移值差別十分明顯.

2.3 剪切速率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

界面的抗剪強(qiáng)度σs為界面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線的剪切應(yīng)力峰值.由圖1可見：當(dāng)p=50kPa，剪切速率為2、3mm/min時(shí)，高聚物-土工布的界面抗剪強(qiáng)度值相比于剪切速率為1mm/min時(shí)減小了約20%；當(dāng)p=100kPa 時(shí)，界面的抗剪強(qiáng)度在最大剪切速率下比剪切速率1、2mm/min下減小了約10%；當(dāng)p=150kPa 時(shí)，界面的抗剪強(qiáng)度在剪切速率為1mm/min時(shí)最大，在剪切速率為3mm/min時(shí)最小，最小值比最大值減小了約2.5%.由此可見：在施加相同豎向應(yīng)力的條件下，高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度隨著剪切速率的增大而減小，但是減小的幅值不大；抗剪強(qiáng)度減小的幅值在豎向應(yīng)力等于50kPa時(shí)最大，并且隨著豎向應(yīng)力的增大而減小；在豎向應(yīng)力等于150kPa時(shí)，不同剪切速率下界面的抗剪強(qiáng)度幾乎相同.由圖2可見：當(dāng)剪切速率v為2、3mm/min時(shí)，界面抗剪強(qiáng)度與v=1mm/min時(shí)相比，變化范圍在9%以內(nèi)；在v=2mm/min 時(shí)所得抗剪強(qiáng)度最大.

綜上，在豎向應(yīng)力給定的情況下，剪切速率對(duì)高聚物-土工布界面和高聚物-砂土界面的抗剪強(qiáng)度具有一定影響，但是影響不大.

2.4 豎向應(yīng)力對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

由圖1可見：相同剪切速率下，界面的剪切應(yīng)力峰值隨著豎向應(yīng)力的增大而增大，且增加幅度很大；在剪切速率v=2mm/min下，隨著豎向應(yīng)力由50kPa 增加至150kPa，高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度由15kPa增至46kPa.表明豎向應(yīng)力對(duì)高聚物- 土工布界面的抗剪強(qiáng)度具有明顯的影響.

2.5 剪切速率對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

不同剪切速率下，高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度與豎向應(yīng)力的擬合直線見圖3.由圖3可見：高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度隨著豎向應(yīng)力的增大呈近似線性增加，擬合直線相關(guān)系數(shù)為0.980，擬合度較好，表明該界面抗剪強(qiáng)度與豎向應(yīng)力之間表現(xiàn)出了良好的線性相關(guān)性，遵循摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則：

圖3 高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度與豎向應(yīng)力的擬合直線Fig.3 Relationship between shear strength and normal stress levels of polymer-geotextile interface

σs=ptanφ′+c′

(1)

式中：φ′為高聚物-土工布界面有效摩擦角；c′為高聚物-土工布界面似黏聚力.經(jīng)計(jì)算可得，該界面似黏聚力均近似為0kPa，摩擦角為16.5°.

2.6 剪切速率對(duì)剪切模量的影響

高聚物-土工布界面的剪切模量(G)見圖4.由圖4可見，相同豎向應(yīng)力作用下，隨著剪切速率的增加，高聚物-土工布界面的剪切模量均呈逐漸增大的趨勢(shì)，但增加幅度不大.由此可見，剪切速率對(duì)高聚物- 土工布界面的剪切模量影響較小.

圖4 高聚物-土工布界面的剪切模量Fig.4 Shear modulus of polymer-geotextile interface

2.7 豎向應(yīng)力對(duì)剪切模量的影響

由圖4還可見，相同剪切速率下，隨著豎向應(yīng)力的增加，高聚物-土工布界面的剪切模量均呈明顯增大的趨勢(shì).這表明豎向應(yīng)力對(duì)高聚物-土工布界面的剪切模量影響較大.

3 結(jié)論

(1)在給定的豎向應(yīng)力和剪切速率下，隨著剪切位移由0mm增加到30mm，高聚物-土工布界面與高聚物-砂土界面均發(fā)生了剪切軟化現(xiàn)象.

(2)豎向應(yīng)力對(duì)高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度及剪切模量的影響顯著.在剪切速率v=2mm/min下，隨著豎向應(yīng)力由50kPa增加到150kPa，高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度由15kPa增至46kPa；高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度與豎向應(yīng)力之間表現(xiàn)出了良好的線性相關(guān)性；不同豎向應(yīng)力p(50、100、150kPa)下的高聚物-土工布界面剪切模量差值較大，即豎向應(yīng)力對(duì)高聚物-土工布界面的剪切模量影響較大.

(3)在豎向應(yīng)力p=100kPa條件下，隨著剪切速率由1mm/min增加至3mm/min，高聚物-砂土界面的抗剪強(qiáng)度僅發(fā)生小范圍波動(dòng)；高聚物-土工布界面的抗剪強(qiáng)度變化亦較小，其剪切模量均呈逐漸增大的趨勢(shì)，但增加幅度不大，表明剪切速率對(duì)高聚物-砂土界面的抗剪強(qiáng)度影響不大，對(duì)高聚物-土工布界面的剪切強(qiáng)度和模量影響亦較小.