循環(huán)荷載作用下紅黏土與混凝土接觸面剪切特性試驗(yàn)研究①

石熊，張家生，鄧國(guó)棟，孟飛，徐進(jìn)，劉蓓

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075;2.馬克菲爾(長(zhǎng)沙)新型支檔科技開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410016;3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

土體與混凝土結(jié)構(gòu)間的相互作用問(wèn)題一直是巖土工程界研究的重要課題［1］，涉及到土力學(xué)的各個(gè)方面，如土體與混凝土樁的接觸面問(wèn)題、土體與錨桿的接觸問(wèn)題、土體與混凝土擋土墻的接觸面問(wèn)題等［2－4］。在外部荷載作用下，由于土體和混凝土受力與變形的差異性，接觸面上會(huì)產(chǎn)生較大的力，因此研究接觸面上的受力特性和變形機(jī)理至關(guān)重要［5－7］。楊有蓮等［8－11］等國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了較為廣泛的研究，并取得了相應(yīng)的研究成果。然而在以往的研究中，大多數(shù)為結(jié)構(gòu)接觸面的單向剪切試驗(yàn)，對(duì)循環(huán)荷載下結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性及變形機(jī)理的研究并不多，近年來(lái)，隨著地震的頻發(fā)，循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)接觸面的研究顯得尤為迫切。張嘎等［12－13］利用自制的大型土與結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)加載剪切儀對(duì)粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在循環(huán)剪切荷載作用下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的抗剪強(qiáng)度基本保持不變;接觸面的相對(duì)法向位移總體上不斷增大，但在一個(gè)剪切循環(huán)內(nèi)表現(xiàn)出包含卸載體縮等情形的有規(guī)律增減變化。但對(duì)于循環(huán)荷載作用下黏性土與混凝土接觸面的力學(xué)特性的研究較少，其受力特性及變形機(jī)理尚不明確。

紅黏土作為一種特殊性黏土，廣泛分布于我國(guó)湖南、廣西、云南、貴州，具有一定的代表性，其含水量、液限、塑限都很高，密度低，滲水性差，膨脹量小，壓縮性低，抗剪強(qiáng)度較高［14］。紅黏土是一種高塑性黏土，由于其塑性指數(shù)較高，相比于粗粒土，具有優(yōu)良的壓縮和適應(yīng)大變形的特性，在剪切過(guò)程中往往能夠延遲破壞的發(fā)生。但在實(shí)際工程中，紅黏土因其裂隙性與脹縮性常引起諸多工程病害，其特殊的工程性質(zhì)及工程問(wèn)題引起學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注［15］。

采用大型直剪儀對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)紅黏土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行循環(huán)荷載作用下直剪試驗(yàn)，分析了不同法向應(yīng)力與不同混凝土表面粗糙度條件下結(jié)構(gòu)接觸面的強(qiáng)度和變形隨循環(huán)加載次數(shù)的變化規(guī)律。

1 接觸面試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

土料采用長(zhǎng)沙地區(qū)紅黏土，對(duì)土料進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)和靜三軸試驗(yàn)，通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果得出紅黏土的最大干密度為 1.81 g/cm3，最優(yōu)含水率為14.08%，曲線見(jiàn)圖1;靜三軸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示?；炷猎噳K采用C40混凝土，混凝土配置強(qiáng)度 fcu.o為 49.9 MPa，水灰比 W/C 為 0.43，1 m3混凝土的用水量為195 kg。將混凝土表面的粗糙度分為三級(jí)，制作不同粗糙度下的混凝土接觸面，利用自制的粗糙度測(cè)定儀，對(duì)其進(jìn)行測(cè)定［18］，得出粗糙度Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ混凝土表面的平均深度分別為0.578，1.893 和2.444 mm。

圖1 擊實(shí)試驗(yàn)曲線Fig.1 Curve of compaction test

表1 紅黏土參數(shù)Table 1 Parameters of red clay

1.2 試驗(yàn)方案

采用中南大學(xué)巖土工程系與長(zhǎng)春朝陽(yáng)試驗(yàn)儀器有限公司合作研制TJW－800大型直剪試驗(yàn)機(jī)［16］，上、下剪切盒尺寸均為500 mm×500 mm×150 mm，利用直剪試驗(yàn)機(jī)通過(guò)控制法向應(yīng)力(100，200和300 kPa)和混凝土結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度(粗糙度Ⅰ、粗糙度Ⅱ、粗糙度Ⅲ)對(duì)紅黏土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面進(jìn)行9個(gè)循環(huán)剪切試驗(yàn)，分別進(jìn)行了1000次循環(huán)，加載路徑為正弦波，圖2為加載過(guò)程中的4個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)過(guò)程中上剪切盒為試驗(yàn)土料，下剪切盒為混凝土試塊。

圖2 剪切位移－時(shí)間曲線Fig.2 Shear displacement vs time curve

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為不同法向應(yīng)力在混凝土結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度Ⅰ下第2，5，30，100，200 和 500 次循環(huán)剪切過(guò)程的剪切位移－剪切應(yīng)力特性曲線見(jiàn)圖3所示。

圖3 粗糙度Ⅰ時(shí)剪切應(yīng)力－剪切位移曲線Fig.3 Shear stress vs shear displacement curves under the roughnessⅠ

圖3表明:在一個(gè)完整剪切循環(huán)內(nèi)，剪切位移－剪切應(yīng)力曲線基本閉合，按逆時(shí)針循環(huán)走動(dòng)，加載段隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸變直，并與卸載段越來(lái)越接近于一條直線。每個(gè)循環(huán)內(nèi)剪切應(yīng)力極小值和極大值分別對(duì)應(yīng)于該循環(huán)內(nèi)剪切位移的最大值、最小值處，剪切應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在第1個(gè)循環(huán)內(nèi)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，每個(gè)循環(huán)剪切應(yīng)力最大值在逐漸減小，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大剪切應(yīng)力減小的速率逐漸降低。第2循環(huán)和第5循環(huán)的剪切位移－剪切應(yīng)力曲線差異性較大，而第200循環(huán)和第500循環(huán)的剪切位移－剪切應(yīng)力曲線基本重合，說(shuō)明剪切位移－剪切應(yīng)力的曲線特性的差異性隨著循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

3 抗剪強(qiáng)度

3.1 法向應(yīng)力對(duì)剪切應(yīng)力的影響

定義平均峰值剪應(yīng)力是在一個(gè)循環(huán)內(nèi)出現(xiàn)的兩個(gè)極值絕對(duì)值的平均值。相同粗糙度，不同法向應(yīng)力條件下循環(huán)內(nèi)平均峰值剪應(yīng)力－循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同粗糙度平均峰值剪應(yīng)力－循環(huán)次數(shù)曲線Fig.4 Average peak shears stress vs cycles curves under different roughnesses

圖4表明:循環(huán)剪切試驗(yàn)中，平均峰值剪應(yīng)力在第1個(gè)循環(huán)內(nèi)就達(dá)到最大值，在隨后的循環(huán)剪切中迅速下降，下降到一定值后趨于穩(wěn)定。

在結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度相同時(shí)，平均峰值剪應(yīng)力最大值及趨于穩(wěn)定后的值隨法向應(yīng)力的增大而增加;隨著接觸面粗糙度的增大，法向應(yīng)力對(duì)循環(huán)次數(shù)－平均峰值剪應(yīng)力曲線差異性的影響更為顯著。這是因?yàn)榻佑|面在剪切過(guò)程中必然會(huì)引起接觸面附近的薄層內(nèi)的土體發(fā)生明顯的變位，也就是說(shuō)剪切過(guò)程中接觸面有一定的影響范圍，隨著法向應(yīng)力的增加，使接觸面影響范圍增大，從而使平均峰值剪應(yīng)力最大值增加，而粗糙度的增加，使接觸面對(duì)附近土體的影響更加明顯。

3.2 粗糙度對(duì)剪切應(yīng)力的影響

相同法向應(yīng)力，不同粗糙度條件下循環(huán)內(nèi)平均峰值剪應(yīng)力－循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示。

歸連鐵路翻漿冒泥病害的探測(cè)與圈定，首次結(jié)合RADAN7與Surfer軟件(11版本或更高)應(yīng)用，采用了本論文所述GPR勘探的鐵路翻漿冒泥病害底界的等值線圖繪制方法，解決了與GPR勘探配套的專業(yè)軟件例如RADAN7等無(wú)法進(jìn)行翻漿冒泥病害底界狹長(zhǎng)帶狀等值線繪制的問(wèn)題，同時(shí)也為翻漿冒泥病害治理的工程設(shè)計(jì)與施工提供了高精度數(shù)據(jù)支撐。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，具較好的應(yīng)用推廣前景。

圖5 不同法向應(yīng)力平均峰值剪應(yīng)力－循環(huán)次數(shù)曲線Fig.5 Average peak shears stress vs cycles curves under different normal stresses

圖5表明:隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對(duì)平均峰值剪應(yīng)力－循環(huán)次數(shù)曲線的影響更為顯著。由圖可知當(dāng)法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，粗糙度對(duì)平均峰值剪應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)的變化影響較小;當(dāng)法向應(yīng)力增加為200和300 kPa時(shí)，粗糙度對(duì)其影響逐漸增強(qiáng)。說(shuō)明隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對(duì)平均峰值剪應(yīng)力－循環(huán)次數(shù)曲線的影響更為顯著。當(dāng)法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，平均峰值剪應(yīng)力最大值及趨于穩(wěn)定后的值隨粗糙度的增大而增加。

3.3 接觸面強(qiáng)度分析

采用摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則對(duì)接觸面強(qiáng)度進(jìn)行分析。定義的平均峰值剪應(yīng)力為一個(gè)循環(huán)內(nèi)的抗剪強(qiáng)度，圖6和圖7為法向應(yīng)力為200 kPa時(shí)不同粗糙度條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。由圖可以看出，在循環(huán)剪切試驗(yàn)過(guò)程中，接觸面的黏聚力與摩擦角隨著循環(huán)次數(shù)的增加一直在變化，剪切剛開(kāi)始較大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加迅速減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖6 黏聚力－循環(huán)次數(shù)曲線Fig.6 Cohesion vs cycles curve

圖7 內(nèi)摩擦角－循環(huán)次數(shù)曲線Fig.7 Internal friction angle vs cycles curve

4 變形特性

4.1 法向應(yīng)力對(duì)法向變形的影響

相同粗糙度，不同法向應(yīng)力條件下循環(huán)內(nèi)法向位移－循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 不同粗糙度法向位移－循環(huán)次數(shù)曲線Fig.8 Normal displacement vs cycles curves under different roughnesses

由圖8可知:在法向應(yīng)力為100 kPa時(shí)，法向位移在第1循環(huán)內(nèi)均出現(xiàn)較大減小，即發(fā)生剪縮，從第2循環(huán)開(kāi)始出現(xiàn)剪脹，剪脹量最終趨于穩(wěn)定;在法向應(yīng)力為200 kPa和300 kPa時(shí)，法向位移一直在減小，產(chǎn)生剪縮，剪縮量最終趨于穩(wěn)定，最終剪縮量隨著法向應(yīng)力的增大而增大，減縮速率也隨著法向應(yīng)力的增大而增加。

4.2 粗糙度對(duì)法向變形的影響

相同法向應(yīng)力，不同粗糙度條件下循環(huán)內(nèi)法向位移－循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9表明:隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對(duì)法向位移－循環(huán)次數(shù)曲線的影響更為顯著。剪脹階段，粗糙度Ⅱ和Ⅲ最終剪脹量基本相同，但比粗糙度Ⅰ的最終剪脹量略高。剪縮階段，剪縮速率隨著粗糙度的增加而增大;在法向應(yīng)力為200 kPa時(shí)，3種粗糙度的最終剪縮量基本相同;在法向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，粗糙度Ⅱ和Ⅲ的最終剪縮量基本相同，但比粗糙度Ⅰ的最終剪縮量大。

圖9 不同法向應(yīng)力法向位移－循環(huán)次數(shù)曲線Fig.9 Normal displacement vs cycles curves under different normal stresses

5 結(jié)論

(1)在循環(huán)剪切過(guò)程中，每個(gè)循環(huán)內(nèi)剪切應(yīng)力極小值和極大值分別對(duì)應(yīng)于剪切位移的最大值、最小值處，剪應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在第1個(gè)循環(huán)內(nèi)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，剪切應(yīng)力最大值在逐漸減小，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大剪切應(yīng)力減小的速率降低。

(2)在一個(gè)完整剪切循環(huán)內(nèi)，紅黏土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面的剪切位移－剪切應(yīng)力曲線基本閉合，曲線差異性隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸降低，曲線加載段隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸變直，并與卸載段越來(lái)越接近于一條直線。

(3)平均峰值剪應(yīng)力在第1個(gè)循環(huán)內(nèi)就達(dá)到最大值，在隨后的循環(huán)剪切中迅速下降，到一定值后趨于穩(wěn)定。平均峰值剪應(yīng)力最大值及趨于穩(wěn)定后的值隨法向應(yīng)力的增大而增加;當(dāng)法向應(yīng)力較低時(shí)，粗糙度對(duì)平均峰值剪應(yīng)力變化影響較小，隨著應(yīng)力的增強(qiáng)，粗糙度對(duì)其影響逐漸發(fā)揮。

(4)在循環(huán)剪切試驗(yàn)過(guò)程中，接觸面的黏聚力和摩擦角剛開(kāi)始較大，隨著循環(huán)次數(shù)的增加迅速減小，最后趨于穩(wěn)定。

(5)當(dāng)法向應(yīng)力較低時(shí)，試樣在第1循環(huán)內(nèi)發(fā)生剪縮，從第2循環(huán)開(kāi)始出現(xiàn)剪脹，剪脹量最終趨于穩(wěn)定;隨著法向應(yīng)力的增大，試樣出現(xiàn)剪縮，剪縮量最終趨于穩(wěn)定，最終剪縮量隨著法向應(yīng)力和粗糙度的增加而增大，減縮速率也隨著之增加而增大。

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