粗糙度對砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性影響的試驗研究

王 濤

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

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粗糙度對砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性影響的試驗研究

王 濤

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

樁的粗糙度對樁側(cè)阻力的發(fā)揮有重要影響。統(tǒng)計鉆孔灌注樁的孔壁粗糙程度，建立孔壁粗糙度與直剪試驗所用混凝土板粗糙度I的關(guān)系；借助TJW-800大型直接剪切儀進行砂土與不同粗糙度混凝土板的直剪試驗，并對其力學(xué)特性進行分析。結(jié)果表明：存在臨界粗糙度Icr，IIcr時，接觸面峰值強度隨著粗糙度的增大而減??；粗糙度對接觸面剪切應(yīng)力-切向位移曲線的形態(tài)有影響。

接觸面 粗糙度 直剪試驗 力學(xué)特性

樁作為承載結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上為樁與土體的相互作用。從樁的承載機理來看，樁土相對位移是樁側(cè)阻力發(fā)揮的必要條件，而影響因素之一為樁表面的粗糙度。樁土接觸面在不同的粗糙度下表現(xiàn)出明顯不同的力學(xué)特性。因此，研究粗糙度對樁-土接觸面力學(xué)特性的影響有重大意義。

國內(nèi)外學(xué)者進行了一些粗糙度對接觸面力學(xué)特性影響的試驗，并對接觸面粗糙度進行了定義，大致分為四類：第一類以粗糙幾何形狀參數(shù)定義粗糙度[1]；第二類采用分形幾何學(xué)描述粗糙度[2]；第三類通過引入D50參數(shù)以相對粗糙度的概念定量描述粗糙程度，考慮了顆粒粒徑對相同粗糙幾何形狀下土-結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性的影響[3]；第四類是通過統(tǒng)計學(xué)以概率的概念對粗糙度進行定義[4]。

已有文獻中試驗粗糙度很小(大多為毫米級)[1-4]，無法與工程實際中鉆孔灌注樁樁側(cè)表面粗糙度相結(jié)合。同時，鉆孔灌注樁孔壁粗糙度受地質(zhì)、成孔工藝的影響，且難以檢測，故鮮有根據(jù)鉆孔灌注樁孔壁粗糙程度定義直剪試驗粗糙度的文獻。統(tǒng)計已有鉆孔灌注樁孔徑檢測曲線，獲得了孔壁粗糙情況，定義了符合工程實際的粗糙度。通過大型直接剪切儀進行不同粗糙度下砂土-混凝土板直剪試驗，初步研究了粗糙度對砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 接觸面試驗

1.1 試驗設(shè)備

利用TJW-800大型直接剪切系統(tǒng)進行試驗，見圖1。該系統(tǒng)可進行較大尺寸的土與土的直剪試驗、土與結(jié)構(gòu)物接觸面的直剪試驗。

圖1 TJW-800大型直接剪切系統(tǒng)

1.2 試驗參數(shù)確定

(1)土性參數(shù)

試驗用土為湘江河砂。該砂最大孔隙比emax=0.73，最小孔隙比emin=0.43，比重Gs=2.55。天然狀態(tài)下砂土達不到最大或者最小孔隙比，為確保砂土密實度具有代表性，本次試驗初始孔隙比e0為0.51、0.59。

(2)加載參數(shù)

實際工程中，大部分樁長為30～70 m。為模擬實際樁側(cè)土壓力，本次試驗法向應(yīng)力為50 kPa、150 kPa、250 kPa和350 kPa，按位移控制進行加載，當(dāng)切向位移達到50 mm時試驗終止，剪切速率為1 mm/min。

(3)粗糙度

通過孔徑檢測系統(tǒng)[5-10]可以獲得孔壁沿樁深度變化曲線，孔徑檢測曲線表明了鉆孔灌注樁的實際粗糙情況?；诂F(xiàn)場實測樁側(cè)孔壁粗糙度確定的試驗粗糙度更符合工程實際，能更好地模擬室內(nèi)結(jié)構(gòu)物接觸面粗糙度對接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律。本試驗以上海地區(qū)鉆孔灌注樁孔徑檢測曲線[6]為基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2 上海地區(qū)某處孔徑檢測曲線及數(shù)據(jù)采集結(jié)果

采集圖2(a)的數(shù)據(jù)后繪制圖2(b)，采點時，將孔徑曲線n等分，以每段中點值作為代表值。對比兩圖可知，采集的數(shù)據(jù)能夠反映實際結(jié)果。

常用的粗糙度測定方法有灌砂法、觸針法、硅粉堆落法和分形分維法。灌砂法是最原始、簡單、實用的方法；觸針法以觸針測出粗糙度表面的凹凸曲線，由此測量粗糙度，原理與灌砂法類似；硅粉堆落法僅定性判定粗糙程度；分形分維法在巖石節(jié)理粗糙度測量中較為常用。鑒于此，本文采用灌砂法。

圖3 混凝土樁展開后示意

根據(jù)灌砂平均高度的定義，粗糙度為

式中，V為立方體體積。根據(jù)圖3(a)，灌砂表面積為

將式(2)～式(6)代入式(1)可得

式中，rmax為最大樁徑。由式(7)可計算得到孔徑沿深度變化曲線所對應(yīng)的粗糙度I，并得到粗糙度I分布頻率直方圖，如圖4所示。

圖4 粗糙度I統(tǒng)計

分析圖4可知，粗糙度I在0～40 mm范圍內(nèi)的分布頻率為73.5%，大于50 mm范圍內(nèi)的分布頻率僅為6.1%。故本次試驗粗糙度取出現(xiàn)頻率較高的I=10 mm、20 mm、30 mm。

試驗過程中砂土剪切會破壞混凝土板上端，鋸齒狀粗糙形式底部會限制底部砂土滾動，故本文選用如圖5所示梯形凹槽形式。

圖5 試驗所用混凝土板設(shè)計

混凝土板長

混凝土板灌砂體積

由式(1)、式(8)和式(9)可得到混凝土板粗糙度

式中，h為梯形凹槽高度，dc為混凝土板寬度。由式(10)及試驗粗糙度取值，混凝土板取梯形凹槽高度h=20 mm、40 mm、60 mm，以及無凹槽(光滑)形式板。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 剪切應(yīng)力-切向位移曲線

整理試驗數(shù)據(jù)，得到砂土-混凝土接觸面的剪切應(yīng)力-切向位移(τ-u)關(guān)系曲線，如圖6所示。

分析圖6可知：

(1)在同初始孔隙比和法向應(yīng)力條件下，接觸面剪切應(yīng)力τ呈現(xiàn)τI=1 cm>τI=2 cm>τI=3 cm>τI=0 cm規(guī)律。

(2)在同初始孔隙比和法向應(yīng)力條件下，接觸面的τ-u曲線具有硬化型和軟化型兩種形態(tài)，表明粗糙度對τ-u曲線的形態(tài)有影響。

2.2 接觸面峰值強度

整理試驗數(shù)據(jù)，可以獲得同法向應(yīng)力和初始孔隙比條件下接觸面的剪切峰值強度與混凝土板粗糙度的關(guān)系，如圖7所示。

分析圖7可知，接觸面的峰值強度隨粗糙度的變化規(guī)律如下：先隨粗糙度增加(0 cm→1 cm)而增大，后隨粗糙度增加(1 cm→2 cm→3 cm)而減小，可認為存在一個臨界粗糙度Icr，當(dāng)接觸面粗糙度I小于臨界粗糙度Icr時，接觸面的峰值強度隨著粗糙度的增大而增大；當(dāng)接觸面粗糙度I大于臨界粗糙度Icr時，接觸面的峰值強度隨著粗糙度的增大而減小。本試驗砂土-混凝土板接觸面的臨界粗糙度Icr=1 cm。

3 結(jié)論

在查閱大量文獻的基礎(chǔ)上，對鉆孔灌注樁的孔壁粗糙度進行統(tǒng)計并得到孔壁粗糙度與直剪試驗所用混凝土板粗糙度I的關(guān)系，選取了適用于直剪試驗的合理粗糙度值。利用TJW-800大型直剪儀系統(tǒng)地進行砂土-混凝土板直剪試驗，得到不同粗糙度、法向應(yīng)力和初始孔隙比下的接觸面剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線及峰值強度，最終得到以下結(jié)論：

(2)存在臨界粗糙度Icr，當(dāng)粗糙度I小于臨界粗糙度Icr時，接觸面峰值強度隨著粗糙度的增大而增大；當(dāng)粗糙度I大于臨界粗糙度Icr時，接觸面峰值強度隨著粗糙度的增大而減小。

圖6 不同粗糙度條件下混凝土板-砂土接觸面剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線

圖7 混凝土板-砂土接觸面峰值強度與粗糙度的關(guān)系

(3)粗糙度對接觸面力學(xué)特性有影響，不同粗糙度條件下，τ-u曲線的形態(tài)不同。

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Experimental Study of Roughness on Mechanical Properties of Sand-Concrete Interface

WANG Tao

2016-08-08

王 濤(1991—)，男，2015年畢業(yè)于中南大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0046-04

TU473.1

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