土與混凝土板接觸面剪切試驗研究

丁明武，徐澤友，盧廷浩

（1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210024；3.河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210098）

0 引言

土與結(jié)構(gòu)相互作用是工程中普遍存在的問題，研究土與結(jié)構(gòu)之間位移（應(yīng)變）的發(fā)展過程及應(yīng)力傳遞規(guī)律對于工程的設(shè)計施工有重要意義。長期以來，眾多學(xué)者通過直剪試驗[1-5]和單剪試驗[6-10]來研究土與結(jié)構(gòu)接觸面應(yīng)力位移（應(yīng)變）的性質(zhì)及規(guī)律。本文通過黏土與混凝土板接觸面大型單剪、直剪試驗對比分析其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及破壞規(guī)律。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗采用河海大學(xué)研制的大型單剪直剪儀（DHJ-30）。該設(shè)備通過數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)讀取試驗中的位移及對應(yīng)的垂直壓力和水平推力，減小讀數(shù)時人為因素的影響；設(shè)備配有自動變頻機，可以設(shè)定剪切速率，并使剪切速率保持勻速。該試驗設(shè)備的土樣盒尺寸較大，內(nèi)徑300 mm，可在一定程度上減小尺寸效應(yīng)?；炷涟宸胖糜谙录羟泻?，土樣置于上盒。

單剪試驗時，上盒由一系列疊環(huán)疊放在一起構(gòu)成，疊環(huán)底面帶滾珠，以減小相互間的摩擦，每個疊環(huán)厚度為20 mm，內(nèi)徑為300 mm。本次單剪試驗使用4只疊環(huán)，最頂端疊環(huán)頂住儀器固定壁，從而固定土樣的頂部，試驗時對下盒施加水平推力使土樣受剪，如圖1所示。

圖1 單剪試驗示意圖

直剪試驗時，上盒采用高50 mm、內(nèi)徑300 mm的剪切盒，盒內(nèi)裝樣高度為35 mm，試驗時上盒固定不動，通過下盒移動進行剪切，如圖2所示。

圖2 直剪試驗示意圖

1.2 試樣制備

土樣用黏土配置，其土粒比重為2.75，液限為49%，塑限為19%。首先對土進行輕型擊實試驗，得出最優(yōu)含水率約18%，最大干密度約1.64 g/cm3。試驗所用的土樣按最優(yōu)含水率進行配置。

根據(jù)土樣的體積和土樣的最大密度計算試驗所需土的質(zhì)量，將土分三層擊實。

1.3 試驗方案

每一組單剪試驗和直剪試驗分別做5個試樣，法向壓力 σn分別取 100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa。采用固結(jié)快剪法，剪切前土樣首先在法向壓力下固結(jié)，固結(jié)穩(wěn)定后保持法向應(yīng)力不變進行勻速剪切，剪切速率設(shè)定為0.6 mm/min。

試驗過程中，通過位移傳感器實時量測每個疊環(huán)或剪切盒的水平位移值，同時采集所對應(yīng)的水平推力的值，并自動繪制力位移曲線。

2 試驗結(jié)果

2.1 單剪試驗結(jié)果

各級法向壓力下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示，應(yīng)變?yōu)榛炷涟宓奈灰婆c3只疊環(huán)厚度的比值。

圖3 單剪試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線

各級法向壓力下，抗剪強度τf取剪應(yīng)變?yōu)?.45所對應(yīng)的剪應(yīng)力值，點繪τf-σn關(guān)系曲線如圖4所示，得接觸面凝聚力77.12 kPa，外摩擦角18.79°。

圖4 單剪試驗法向應(yīng)力與抗剪強度關(guān)系曲線

2.2 直剪試驗結(jié)果

根據(jù)在每級法向壓力下測得水平推力和位移可得各級壓力下的應(yīng)力位移曲線，如圖5所示。

圖5 直剪試驗應(yīng)力位移曲線

每級法向壓力下，抗剪強度τf取應(yīng)力位移曲線的峰值，點繪τf-σn關(guān)系曲線如圖6所示，得接觸面凝聚力為61.72 kPa，外摩擦角為30.56°。

圖6 直剪試驗法向應(yīng)力與抗剪強度關(guān)系曲線

3 試驗分析

3.1 試驗現(xiàn)象分析

3.1.1 直剪試驗

1） 接觸面積減小。本試驗混凝土板尺寸大于土樣的尺寸，并且在剪切過程中土樣盒的內(nèi)圓不越過混凝土板的邊緣。盡管如此，試驗中仍存在接觸面積減小現(xiàn)象，這是由于在剪切過程中土樣水平向受壓產(chǎn)生壓縮變形，從而導(dǎo)致接觸面積減小，如圖7所示。

圖7 直剪試驗接觸面積減小

2）土樣受力不均勻。剪切的過程中，土樣受力如圖8所示。土樣右端首先受到土樣盒的擠壓力，土樣在水平方向處于平衡狀態(tài)，則反力只能通過混凝土板對土樣的摩擦力來提供。又因為土體不是剛性體，土體內(nèi)各點位移不同，受擠壓一側(cè)首先發(fā)生水平位移并受到板對土的摩擦力，隨著剪切的進行，土與混凝土板的相對錯動由右端向左端逐漸發(fā)生，右側(cè)的接觸面摩擦力首先達到最大并發(fā)生破壞。

圖8 直剪試驗中土樣受力示意圖

3） 實際位移小于測得位移。試驗中測得的位移是土樣盒與混凝土板之間的相對位移，并非真正的土與結(jié)構(gòu)面之間的相對位移。土體為非剛性體，剪切過程中土樣各點的位移量不同，土樣受水平推力的一側(cè)位移最大并且等于所測得的位移，相對的另一側(cè)位移最小，土樣的實際平均位移小于所測得的位移。

3.1.2 單剪試驗

單剪試驗中最底層的疊環(huán)與混凝土板之間發(fā)生的剪切錯動類似接觸面直剪試驗發(fā)生的剪切錯動，其余疊環(huán)與疊環(huán)之間發(fā)生的剪切錯動類似常規(guī)直剪試驗發(fā)生的剪切錯動，故單剪試驗同樣存在接觸面積減小、土樣受力不均勻以及實際應(yīng)變小于所測應(yīng)變的現(xiàn)象，但不如直剪試驗明顯。

接觸面積減小、土樣受力不均勻以及所測得的應(yīng)變（位移）大于實際應(yīng)變（位移）的現(xiàn)象是接觸面單剪直剪試驗中存在的缺陷，應(yīng)有清醒的認識。

3.2 單剪試驗與直剪試驗結(jié)果比較

3.2.1 曲線形式

觀察圖3及圖5，兩試驗的應(yīng)力應(yīng)變（位移）曲線都呈雙曲線形式，在試驗的起始階段剪應(yīng)力增長較快。單剪試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有明顯的峰值，呈硬化型；對于直剪試驗應(yīng)力位移關(guān)系曲線，當(dāng)位移達到約15 mm時應(yīng)力達到峰值，之后有略微的軟化跡象。這是因為，直剪試驗限定了破壞面的位置，土與混凝土板之間發(fā)生較大錯動位移，接觸面強度得到充分發(fā)揮；單剪試驗的位移是由多個界面之間的錯動位移相加形成，故單剪試驗中每一個錯動面所發(fā)生的錯動位移相對于直剪試驗發(fā)生的錯動位移小得多，強度發(fā)揮的過程較緩慢。

3.2.2 抗剪強度

單剪試驗和直剪試驗抗剪強度表達式分別為：

將其曲線繪于同一圖中，如圖9所示，可見：

圖9 單剪、直剪試驗法向應(yīng)力與抗剪強度關(guān)系曲線

1）單剪試驗的凝聚力大于直剪試驗的凝聚力，而單剪試驗的摩擦角小于直剪試驗的摩擦角。

通過試驗觀察發(fā)現(xiàn)，單剪試驗接觸面的破壞發(fā)生在土體中，試驗測得的是黏土的抗剪強度參數(shù)；直剪試驗接觸面的破壞發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的接觸界面上，試驗測得的是土與結(jié)構(gòu)接觸界面的抗剪強度參數(shù)。黏土顆粒小，顆粒之間的凝聚力大而嚙合力小；接觸面表面粗糙不平，土與結(jié)構(gòu)之間的凝聚力較小而嚙合力較大，所以會產(chǎn)生上述現(xiàn)象。

2） 兩條強度包線有一個交叉點，令式（1）、式（2）相等便可得該交叉點的法向壓力σn為62 kPa。當(dāng)σn＜62 kPa時，圖9曲線顯示單剪試驗接觸面的抗剪強度大于直剪試驗接觸面的抗剪強度，而實際此時單剪試驗的土樣內(nèi)抗剪強度大于土與結(jié)構(gòu)交界面上的抗剪強度，故破壞將發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的交界面上，所以此時單剪試驗接觸面抗剪強度應(yīng)與直剪試驗接觸面抗剪強度相當(dāng)；當(dāng)σn＞62 kPa時，單剪試驗接觸面的抗剪強度小于直剪試驗接觸面的抗剪強度，并且隨著法向壓力的增大，抗剪強度的差距越來越大。由以上分析可知，單剪試驗所得接觸面的抗剪強度不會超過由直剪試驗所得接觸面抗剪強度。

比較單剪、直剪試驗所得的曲線形式以及抗剪強度的特點可知，若采用單剪試驗所得參數(shù)進行工程的設(shè)計計算將偏于安全。

3.3 接觸面剪切破壞發(fā)生的位置

根據(jù)以上分析，當(dāng)σn＜62 kPa時，土與結(jié)構(gòu)接觸界面的抗剪強度小于土體內(nèi)的抗剪強度，無論是單剪試驗還是直剪試驗，破壞都發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的接觸界面上；當(dāng)σn＞62 kPa時，單剪試驗接觸面的抗剪強度小于直剪試驗接觸面的抗剪強度，此時土體內(nèi)抗剪強度小于接觸面抗剪強度，破壞將發(fā)生在黏土層內(nèi)部。由于本試驗法向壓力的起點是100 kPa，所以未觀察到破壞發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)交界面的現(xiàn)象。

這說明在實際工程中，當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)面法向上的土壓力較小時，接觸面的破壞將發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的交界面上；當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)面上的法向土壓力較大時，接觸面的破壞將發(fā)生在土體內(nèi)。故在工程設(shè)計計算時應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)面上法向土壓力的不同，取用不同的計算參數(shù)。

4 結(jié)語

1）黏土與混凝土板接觸面大型直剪試驗剪切過程中，土樣在水平方向產(chǎn)生壓縮變形，導(dǎo)致土樣與混凝土板的接觸面積減??；土樣受水平推力的一側(cè)首先發(fā)生水平位移并受到板對土樣的摩擦力，并且該側(cè)接觸面摩擦力首先達到最大并發(fā)生破壞，土樣在剪切過程中受力不均勻；土樣與混凝土板之間實際發(fā)生的平均錯動位移小于試驗中所測的錯動位移。接觸面大型單剪試驗過程中也存在剪切面積減小、應(yīng)力不均勻以及實際應(yīng)變小于所測應(yīng)變的現(xiàn)象，但不如直剪試驗的明顯。

2） 黏土與混凝土板接觸面大型單剪直剪試驗的應(yīng)力應(yīng)變（位移）曲線都呈雙曲線型；直剪試驗的應(yīng)力隨錯動位移的增大增長較快，達到峰值后有略微的軟化跡象，單剪試驗的應(yīng)力在應(yīng)變較小時隨應(yīng)變的增大增長較快，在應(yīng)變較大時隨應(yīng)變的增大增長緩慢，沒有明顯的峰值，曲線呈應(yīng)變硬化型。

3） 黏土與混凝土板大型接觸面試驗中，單剪試驗的凝聚力大于直剪試驗的凝聚力，而單剪試驗的摩擦角小于直剪試驗的摩擦角；當(dāng)結(jié)構(gòu)面上法向土壓力小于某一值時，單剪試驗接觸面的抗剪強度與直剪試驗接觸面的抗剪強度相當(dāng)，法向土壓力大于該值時，單剪試驗接觸面的抗剪強度小于直剪試驗接觸面的抗剪強度。

4） 該試驗說明當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)面法向上的土壓力較小時，接觸面的破壞將發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的交界面上；當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)面上的法向土壓力較大時，接觸面的破壞將發(fā)生在土體內(nèi)，在工程設(shè)計計算時應(yīng)予以考慮，取用不同的計算單元以及模型和參數(shù)。

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