梁冬冬

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司 ,河北 涿州 072750)

長(zhǎng)期以來(lái),諸多學(xué)者都對(duì)土體與結(jié)構(gòu)間的剪切性能進(jìn)行了大量研究:為研究含水率對(duì)非飽和砂土抗剪強(qiáng)度的影響,王瑞等[1]對(duì)多種不同含水率、法向應(yīng)力條件下的海洋黏土-混凝土界面進(jìn)行了剪切試驗(yàn),指出海洋黏土含水率越低,土體剪切帶面積越大。王永洪等[2]基于自行研制大型界面剪切儀器設(shè)備,研究不同剪切速率下黏土與混凝土界面的剪切應(yīng)力變化特征,試驗(yàn)考慮了超孔隙水壓力和法向應(yīng)力的影響,研究結(jié)果指出剪切速率明顯影響界面的剪切峰值強(qiáng)度,剪切速率增加使得剪切曲線出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。為了揭示不同混凝土頂管-砂土接觸面剪切摩擦特性,李天降等[3]采用直剪試驗(yàn)研究了5種砂土在不同法向應(yīng)力、不同剪切速率及不同潤(rùn)滑狀態(tài)下與混凝土管接觸面的摩擦特性。為了探討結(jié)構(gòu)物表層粗糙度對(duì)樁-土界面剪切特性的影響及其規(guī)律,汪優(yōu)等[4]采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行混凝土樁-黏土接觸面直剪試驗(yàn),定量分析了粗糙度對(duì)界面的剪切破壞及變形的影響。王俊杰等[5]基于改進(jìn)的室內(nèi)剪切試驗(yàn),對(duì)砂巖泥巖混合料與混凝土界面展開(kāi)了直接剪切試驗(yàn),觀測(cè)不同混凝土粗糙度條件下剪切應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,指出土體與結(jié)構(gòu)物的接觸存在峰值剪切應(yīng)力和殘余剪切應(yīng)力。

綜上所述,目前已有的研究多以單一土體為主,不同土體與混凝土界面的剪切力學(xué)特性仍需進(jìn)一步研究。本文選取多種土體進(jìn)行直剪試驗(yàn),對(duì)土體不同含水率及不同法向應(yīng)力條件下土體與混凝土界面的剪切規(guī)律進(jìn)行研究,從而為不同土體的側(cè)阻力分析提供參考。

1 剪切試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)選用DZJ-1大型直剪儀,直剪儀主機(jī)由安裝有主氣缸、輔助氣缸的封閉框式主機(jī)、氣壓伺服控制系統(tǒng)、上下剪切盒、傳力板、透水板、開(kāi)縫板、導(dǎo)軌、輔助臺(tái)等組成。測(cè)量系統(tǒng)由法向荷載傳感器、傳感器、垂直位移計(jì)、水平位移計(jì)等組成。剪切盒尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。直剪儀如圖1所示。

圖1 DZJ-1型大型直剪儀

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的土樣包括中粗砂、粉細(xì)砂、淤泥及砂質(zhì)泥巖,試樣取自佛山高明幸福樓片區(qū)道路改造工程,各試樣參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)土基本物理性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方案

直剪試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式、固結(jié)不排水,剪切速率設(shè)置為1 mm/min。為研究不同土體、不同法向應(yīng)力、不同含水率對(duì)界面抗剪性質(zhì)的影響,本試驗(yàn)選取4種單一土體,分別在4種不同含水率、3種法向應(yīng)力條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn),共計(jì)48組試驗(yàn)。在采用淤泥和砂質(zhì)泥巖為試驗(yàn)對(duì)象時(shí),在高含水率條件下,土體強(qiáng)度大幅降低,在施加較高法向應(yīng)力條件下,土體從剪切盒開(kāi)縫中大量擠出,導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行,故將該工況下的法向應(yīng)力分別調(diào)整為25、50、75 kPa及50、100、150 kPa,試驗(yàn)工況設(shè)置如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)中的方法預(yù)先配置重塑土體,通過(guò)風(fēng)干、粉碎、過(guò)篩3道工序,通過(guò)控制土樣干密度以及添加不同質(zhì)量水的方法配置工況中所述含水率的土樣,配置過(guò)程中需要充分?jǐn)嚢柰馏w,確保土體與水充分接觸,配置完畢后,將土體在恒溫密封條件下靜置24 h,從而保證土體均勻含水。

試驗(yàn)開(kāi)始之前,首先在下剪切盒中裝入預(yù)制好的混凝土塊,隨后分層向剪切盒中裝入土樣,共分5層裝入土體,每層土體需擊實(shí)。在使用擊實(shí)器擊實(shí)時(shí),振動(dòng)過(guò)大可能使高含水率的土樣發(fā)生液化,而且其擊實(shí)的沖擊力可能大于預(yù)設(shè)的法向應(yīng)力,從而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)過(guò)度緊實(shí),影響試驗(yàn)結(jié)果。故先采用人工擊實(shí),主要使土體在剪切盒內(nèi)均勻分布,在裝入下一層土體之前進(jìn)行刮毛,從而確保各層土體之間的咬合性及完整性。當(dāng)所有土體裝填擊實(shí)完畢后,再通過(guò)直剪儀對(duì)預(yù)設(shè)土壓力進(jìn)行固結(jié),當(dāng)其法向位移變化速率小于0.5 mm/min時(shí),開(kāi)始進(jìn)行剪切。每組試驗(yàn)過(guò)程中每6 s采集一次數(shù)據(jù),其記錄的數(shù)據(jù)包括剪應(yīng)力、剪切位移、法向應(yīng)力、法向位移等。在試驗(yàn)結(jié)束后,觀察界面剪切情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線變化規(guī)律

2.1.1 不同土質(zhì)對(duì)剪切應(yīng)力的影響

15%含水率條件下不同土樣在法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖2所示。由圖2可知,在法向應(yīng)力100 kPa、15%含水率條件下,中粗砂以及粉細(xì)砂這類(lèi)無(wú)黏性土,其土-混凝土界面剪應(yīng)力隨剪切位移的增大,剪應(yīng)力先快速增加,然后在較小的剪切位移范圍內(nèi)迅速趨近于某一值,其變化規(guī)律近似于雙曲線;對(duì)于淤泥以及砂質(zhì)泥巖這類(lèi)黏性土,其與混凝土界面間的剪切特性與中粗砂和粉細(xì)砂有較大的區(qū)別,隨著剪切位移增加,在經(jīng)歷過(guò)一段快速增長(zhǎng)的階段后,會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較為明顯的拐點(diǎn),在拐點(diǎn)后,剪應(yīng)力的增長(zhǎng)速度會(huì)放緩,但其放緩的幅度有限,并未迅速趨近于某一常數(shù),在剪應(yīng)力緩慢增長(zhǎng)的過(guò)程中,其增長(zhǎng)速率會(huì)降低。淤泥以及砂質(zhì)泥巖的剪應(yīng)力在剪切位移達(dá)到20 mm時(shí),其剪應(yīng)力較中粗砂和粉細(xì)砂偏大。不同土樣與混凝土界面的剪應(yīng)力由大到小依次為:淤泥、砂質(zhì)泥巖、中粗砂、粉細(xì)砂。

圖2 15%含水率條件下不同土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

2.1.2 不同含水率對(duì)剪切應(yīng)力的影響

不同含水率條件下不同土樣在法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖3所示。由圖3可知,在法向應(yīng)力100 kPa條件下,土體的含水率不僅影響土體自身強(qiáng)度,另外對(duì)土和結(jié)構(gòu)界面的剪切特性也會(huì)產(chǎn)生一些影響。對(duì)不同的土體,在含水率提高后,其界面的剪應(yīng)力都出現(xiàn)了不同程度的下降,淤泥和砂質(zhì)泥巖在同一法向應(yīng)力條件下,界面受到含水率影響較大,其剪應(yīng)力出現(xiàn)了較大幅度的下降,下降的幅度約為8～25 kPa;中粗砂和粉細(xì)砂在同一法向應(yīng)力條件下,隨著含水率的提高,界面的剪應(yīng)力出現(xiàn)下降,降低的幅度約為2～4 kPa,說(shuō)明淤泥及砂質(zhì)泥巖這類(lèi)黏性土的界面強(qiáng)度對(duì)水的敏感性遠(yuǎn)大于砂。

圖3 不同含水率條件下不同土樣的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

從多個(gè)不同含水率條件下的中粗砂、粉細(xì)砂、淤泥以及砂質(zhì)泥巖的剪應(yīng)力-剪切位移曲線來(lái)看,其界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線整體呈現(xiàn)為硬化型,即伴隨著剪切位移的增大,其剪應(yīng)力始終呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),這可能是由于隨著法向應(yīng)力的施加以及滑動(dòng)面的錯(cuò)動(dòng),其界面附近的土體愈發(fā)密實(shí),從而導(dǎo)致剪應(yīng)力的提高。

2.1.3 不同法向應(yīng)力對(duì)剪切應(yīng)力的影響

以中粗砂與粉細(xì)砂為例,不同法向應(yīng)力條件下中粗砂和粉細(xì)砂剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖4所示。由圖4可知,在含水率固定不變的條件下,界面的最大剪應(yīng)力隨著法向應(yīng)力的提高而提高。其原因在于,在低法向應(yīng)力條件下,土體顆粒間咬合作用相對(duì)較弱,土顆粒間的相對(duì)位置易發(fā)生改變,在剪切過(guò)程中,可能在剪切面上還存在局部的滾動(dòng)摩擦現(xiàn)象,因此其抗剪切作用較弱;隨著法向應(yīng)力的提高,一方面土體變得更加密實(shí),另一方面土體與混凝土界面貼合也更加緊密,其摩擦效果被加強(qiáng),因此最大剪應(yīng)力將出現(xiàn)大幅度的提高。在200 kPa和300 kPa的法向應(yīng)力作用下,粉細(xì)砂的剪應(yīng)力-剪切位移曲線逐步變?yōu)檐浕?即曲線在經(jīng)歷峰值后,剪應(yīng)力出現(xiàn)回落,這可能是由于在高法向應(yīng)力條件下,砂中的水被排出,在接觸面上形成的水膜厚度變厚,從而導(dǎo)致潤(rùn)滑作用也增強(qiáng),造成界面間的摩阻力變小,即由于孔隙水壓力增強(qiáng)導(dǎo)致有效應(yīng)力下降,從而降低了抗剪強(qiáng)度。

圖4 不同法向應(yīng)力條件下中粗砂和粉細(xì)砂的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線

2.2 界面抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律

把本文試驗(yàn)里各種土體的峰值剪切應(yīng)力或最大剪應(yīng)力和法向應(yīng)力的關(guān)系展開(kāi)線性擬合,詳見(jiàn)圖5。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99,擬合度比較高,界面破壞形式滿足Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則要求,即τ=σtanφ+c。式中:τ為抗剪強(qiáng)度(kPa);σ為法向應(yīng)力(kPa);φ為內(nèi)摩擦角(°);c為黏聚力(kPa)。

圖5 不同土樣界面抗剪強(qiáng)度隨含水率變化曲線

由圖5可知,在土體處于相同的法向應(yīng)力條件下時(shí),含水率的變化會(huì)對(duì)界面的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。對(duì)于中粗砂和粉細(xì)砂,伴隨著含水率的提高,其界面的抗剪強(qiáng)度將出現(xiàn)略微的下降,其下降幅度很小,且在不同的法向應(yīng)力下,抗剪強(qiáng)度均呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。而對(duì)于淤泥和砂質(zhì)泥巖,在低法向應(yīng)力條件下(100 kPa)伴隨著含水率的提高,其界面抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì),但其下降的幅度較小;而在較高的法向應(yīng)力條件下(200 kPa、300 kPa),當(dāng)含水率處于較低水平時(shí),隨著含水率的提高,界面抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)了小幅的下降,但當(dāng)含水率超過(guò)某一值后,界面抗剪強(qiáng)度的下降速率將陡然提升。其原因在于低法向應(yīng)力條件下,土體尚未被壓實(shí),在含水率提高的過(guò)程中土體中的水多以結(jié)合水的形式儲(chǔ)存在土體顆粒的間隙中,只有較少部分的水在界面上形成水膜,從而誘發(fā)了抗剪強(qiáng)度的小幅下降;在高法向應(yīng)力條件下,土體的體積被大幅壓縮,大量的水分被排出到界面上,從而導(dǎo)致界面抗剪強(qiáng)度的下降速率提高。

2.3 界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律

不同土樣、不同含水率條件下界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表3所示。

表3 不同含水率條件下土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)

2.3.1 黏聚力

由表3可知,中粗砂和粉細(xì)砂界面的黏聚力始終小于l0 kPa,處于一個(gè)較低的水平,且隨著含水率的變化,黏聚力變化的幅度僅為2 kPa左右,說(shuō)明了砂-混凝土界面的強(qiáng)度主要由二者間的摩擦所提供,受黏聚力影響很小,因此可以考慮將摩擦力近似地看作砂-混凝土界面間的抗剪強(qiáng)度。

淤泥和砂質(zhì)泥巖的黏聚力,隨著含水率的提高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),這是由于提高含水率后,土體中水的吸附作用不斷增大,且土體的密度增大,從而導(dǎo)致黏聚力逐步增大;當(dāng)含水率達(dá)到某一值后,土體顆粒間的結(jié)合水膜厚度增大,水壓力的作用大于吸附作用,因此黏聚力開(kāi)始下降。對(duì)比表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,黏聚力峰值位于土體的塑限附近。

2.3.2 內(nèi)摩擦角

由表3可知,隨著含水率的提高,土與界面間的潤(rùn)滑作用增強(qiáng),因此中粗砂和粉細(xì)砂界面的內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì),內(nèi)摩擦角分別處于35～38°和29～32°,說(shuō)明中粗砂和粉細(xì)砂的內(nèi)摩擦角受含水率影響的敏感度較低,即水對(duì)于土體顆粒和混凝土界面間摩擦的影響有限。

對(duì)于淤泥和砂質(zhì)泥巖,其界面內(nèi)摩擦角受含水率影響的敏感度較高,伴隨著含水率的提高,其內(nèi)摩擦角先快速下降,之后下降的速率又放緩。這是由于含水率提高以后,水填滿土顆粒之間的空隙,顆粒間之間的摩擦作用下降,最終導(dǎo)致內(nèi)摩擦角下降,當(dāng)土顆粒周邊均被水填充后,各處的土體和混凝土界面間都將受到水的影響,此時(shí)內(nèi)摩擦角達(dá)到最小值,之后雖然含水率仍在提高,但多余的水分會(huì)被排出,對(duì)內(nèi)摩擦角將不再產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于砂土、淤泥和砂質(zhì)泥巖,土-混凝土界面的抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出隨法向應(yīng)力增大而增大、隨含水率增大而降低的情況。

(2)砂土-混凝土界面的內(nèi)摩擦角往往隨著砂土含水率的增大而減小,黏聚力則始終處于較低的水平,說(shuō)明對(duì)砂土而言,土-混凝土界面的強(qiáng)度主要是由土與界面間的摩擦提供,黏聚力的作用較小。因此混凝土結(jié)構(gòu)在砂土中的摩阻力可近似的看作是砂土與結(jié)構(gòu)之間的摩擦力。

(3)對(duì)于淤泥和砂質(zhì)泥巖而言,土-混凝土界面的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大而降低,而黏聚力隨著含水率的增大先增大后減小,同時(shí)淤泥和砂質(zhì)泥巖界面的黏聚力始終較大,故在分析該類(lèi)型土體與混凝土的摩阻力時(shí)不能單純的看作是摩擦力作用,而應(yīng)該是摩擦力與黏聚力的復(fù)合作用。