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    粗糙度對(duì)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切特性的影響研究*

    2022-02-03 14:08:48陳航杰陳明偉
    工業(yè)建筑 2022年9期
    關(guān)鍵詞:凍土剪應(yīng)力本構(gòu)

    陳航杰 何 菲 王 旭 陳明偉

    (蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730070)

    在巖土工程領(lǐng)域,土體與結(jié)構(gòu)接觸面的相互作用普遍存在,接觸面力學(xué)特性對(duì)建、構(gòu)筑物穩(wěn)定性和服役期安全性起到關(guān)鍵性作用。隨著西部大開(kāi)發(fā)和振興東北戰(zhàn)略的實(shí)施,各種寒區(qū)工程得以大量修建,隨即產(chǎn)生了一系列凍土與結(jié)構(gòu)面的接觸問(wèn)題。凍土受溫度的影響較為敏感,且伴隨著凍結(jié)、融化作用,寒區(qū)基礎(chǔ)與凍土的接觸面力學(xué)特性與常溫條件下相比差異較大。在凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)粗糙度是影響接觸面剪切特性的重要因素之一[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)考慮粗糙度的接觸面剪切特性方面做了一系列工作:Uesugi等研究了砂粒在不同粗糙程度剛性表面剪切變形特性[2];Roman等研究了無(wú)黏性土與剛性帶肋結(jié)構(gòu)面間剪切特性,證明肋間距控制著剪切帶的發(fā)展?fàn)顟B(tài)[3];王天亮等研究了規(guī)則型接觸面粗糙度對(duì)抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)、剪脹性、應(yīng)變軟化的影響[4];吉延峻等通過(guò)直剪試驗(yàn)進(jìn)行了現(xiàn)澆混凝土與凍土接觸面強(qiáng)度等力學(xué)特性的研究[5]。趙聯(lián)楨等研制了可實(shí)現(xiàn)單調(diào)和循環(huán)加載的多功能大型直剪系統(tǒng),對(duì)接觸面力學(xué)特性進(jìn)行了探究[6];孫厚超等研究了接觸面剪切的宏觀和微觀機(jī)理,并建立了耦合粗糙度的剪切強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式[7]。ALDAEEF等利用直剪試驗(yàn)研究了粗糙度對(duì)凍結(jié)砂土與鋼接觸面抗剪特性的影響[8]。

    基于已有的研究成果,為對(duì)粗糙度對(duì)結(jié)構(gòu)-接觸面力學(xué)特性的影響開(kāi)展進(jìn)一步探索,對(duì)粗糙度對(duì)接觸面的影響機(jī)理展開(kāi)研究,以構(gòu)建考慮粗糙度影響的接觸面剪應(yīng)力-剪切位移本構(gòu)模型,為深入探討粗糙度對(duì)凍土-樁力學(xué)特性的影響提供參考。

    1 接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究

    1.1 粗糙度的定義和評(píng)價(jià)

    凍土-混凝土接觸面類(lèi)型影響著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性,甚至?xí)?dǎo)致不同破壞類(lèi)型的產(chǎn)生。其中,接觸面粗糙度是決定凍土-結(jié)構(gòu)體接觸面力學(xué)特性的重要因素之一。按結(jié)構(gòu)物表面的起伏狀況、排列方式和形狀特征等規(guī)律,可以將接觸面的粗糙度劃分為兩大類(lèi),即“隨機(jī)型”和“規(guī)則型”[9]。

    研究初期,以“隨機(jī)型”粗糙度為主,常采用隨機(jī)的表觀特征描述結(jié)構(gòu)粗糙度,可采用不同水灰比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)[5]、對(duì)預(yù)制試塊結(jié)構(gòu)面進(jìn)行不同程度打磨[10]、直接采用不同目數(shù)的砂紙[11]等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)粗糙度。對(duì)于“規(guī)則型”粗糙度,常采用標(biāo)準(zhǔn)的表面齒狀結(jié)構(gòu),通過(guò)調(diào)整表面齒狀結(jié)構(gòu)的峰谷距(如表1中①、③截面)、形狀(如表1中①、②截面齒槽的腰角采用銳角[12-13]或直角[6-7,13])和排列方式來(lái)改變結(jié)構(gòu)表面粗糙度。也可直接采用豎直[3-4]或半圓形[14]凹槽(如表1中④、⑤截面),通過(guò)調(diào)整凹槽數(shù)量、寬度和深度達(dá)到調(diào)整粗糙度的目的。

    表1 粗糙度的定義和評(píng)價(jià)Table 1 Definitions and evaluations of roughness

    為分析不同粗糙度的效果,需要將粗糙度進(jìn)行分類(lèi)并量化,常用的粗糙度評(píng)價(jià)方法有直接定義法、表觀描述法、試驗(yàn)測(cè)定法(灌砂法、觸針?lè)?、硅粉堆落法、分形分維法)和間接計(jì)算法等。對(duì)于“規(guī)則型”接觸面:通常采用的方法是直接定義法,定義起伏界面的峰谷距最大值或齒邊長(zhǎng)為界面粗糙度[6-7,12],也可用歸類(lèi)定量法[4]對(duì)粗糙度進(jìn)行定義和測(cè)定,或者利用灌砂法,以及金子豪等為“規(guī)則型”接觸面提出的基于“強(qiáng)度意義”[9]的粗糙度評(píng)價(jià)方法,該方法充分考慮了凹槽的相關(guān)幾何參數(shù)以及修正槽寬和凹槽對(duì)土體的擾動(dòng)范圍等因素;王海航等為了將各種界定“規(guī)則型”粗糙度的方法統(tǒng)一量化[15],提出了基于擴(kuò)面度的粗糙度計(jì)算方法。對(duì)于“隨機(jī)型”接觸面:灌砂法較為常用,以體積轉(zhuǎn)化的方法來(lái)測(cè)定接觸面粗糙度,也可以采用觸針?lè)ㄍㄟ^(guò)觸針記錄表面的凹凸曲線,測(cè)得峰谷距的最大值[16]或均方根值[17]來(lái)表征粗糙程度,有時(shí)也采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行描述[18],或采用相對(duì)粗糙度的定義,以粒徑大小評(píng)價(jià)粗糙度[1-2,19],再或直接表觀描述粗糙度[5,20]。

    1.2 粗糙度對(duì)接觸面強(qiáng)度特性的影響

    接觸面的力學(xué)特性是指在剪切過(guò)程中,接觸面所具有的力學(xué)規(guī)律、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)等,粗糙度是這些接觸面力學(xué)特性的重要影響因素[1]。

    1.2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度

    接觸面剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是建立接觸面本構(gòu)模型的重要力學(xué)關(guān)系之一[21]。從開(kāi)始剪切到破壞經(jīng)歷三個(gè)階段,分別為彈性變形階段、剪切破壞階段和殘余強(qiáng)度穩(wěn)定發(fā)展階段[5],如圖1所示(粗糙度定義量化方法見(jiàn)文獻(xiàn)[7])。可以看出彈性變形階段的曲線主要呈線性,凍土在此階段產(chǎn)生彈性變形。剪切破壞階段試樣破壞之后,剪應(yīng)力起初逐漸變小,“規(guī)則型”接觸面在剪切過(guò)程中剪應(yīng)力出現(xiàn)變大現(xiàn)象,且呈周期性、跳躍性,存在波動(dòng)幅度持續(xù)降低的次峰值,分析是由于接觸面凹凸起伏造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象所致,而“隨機(jī)型”接觸面在剪切位移持續(xù)增大且接觸面范圍減小時(shí),剪應(yīng)力一直處于相對(duì)平緩狀態(tài),以上兩種情形均為穩(wěn)定發(fā)展階段。

    —0.3 mm; —0.8 mm; —1.4 mm。圖1 不同粗糙度下接觸面τ-δ關(guān)系[7]Fig.1 The curves between shear stress and shear displacement of contact interfaces in different roughness

    對(duì)凍土與結(jié)構(gòu)接觸面的抗剪強(qiáng)度研究可以追溯到蘇聯(lián)時(shí)期,土與結(jié)構(gòu)接觸面上的凍結(jié)強(qiáng)度可用抗剪強(qiáng)度來(lái)度量,通過(guò)壓入或拔出凍土中的豎桿測(cè)得抗剪強(qiáng)度[22]。邱國(guó)慶等提出:凍土與基礎(chǔ)間的凍結(jié)力為其接觸面上的抗剪力,而凍結(jié)強(qiáng)度是土與基礎(chǔ)接觸面所能承受的最大剪應(yīng)力[23]。凍結(jié)強(qiáng)度分為極限強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度兩大部分[24]。極限強(qiáng)度為剪切過(guò)程中的峰值剪應(yīng)力,即所謂的凍結(jié)強(qiáng)度?!耙?guī)則型”接觸面中殘余強(qiáng)度為破壞后的次峰值剪應(yīng)力,其值隨剪切位移呈周期性波動(dòng),“隨機(jī)型”接觸面中殘余強(qiáng)度則呈穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)。兩者均趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

    凍結(jié)強(qiáng)度與凍土-結(jié)構(gòu)接觸面的粗糙度有著非常緊密的聯(lián)系。在凍黏土-結(jié)構(gòu)接觸面單剪試驗(yàn)中,試樣尺寸長(zhǎng)、寬分別為200,100 mm,剪切盒底部及四周采用冷卻管隔絕外界環(huán)境,保持盒體內(nèi)恒低溫,試驗(yàn)溫度分別為-6,-10,-14 ℃,控制精度可達(dá)±0.3 ℃[25]。在剪切初始階段,接觸面的極限凍結(jié)強(qiáng)度隨著接觸面粗糙度的增大而增大。在其他因素不變的情況下,隨著粗糙度的不斷增大,峰值強(qiáng)度先增長(zhǎng)較明顯,隨著粗糙度的進(jìn)一步增大,峰值強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢,Huck等得出類(lèi)似的結(jié)論[26]。如圖2所示,數(shù)據(jù)和粗糙度定義法均見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。在穩(wěn)定剪切階段,接觸面的殘余強(qiáng)度受粗糙度大小的影響較小。粗糙度只影響峰值強(qiáng)度之前的階段,對(duì)其之后的殘余強(qiáng)度影響較小或無(wú)明顯影響[18]。

    100 kPa; 300 kPa; 200 kPa; 400 kPa; ——擬合線。圖2 不同法向壓力下接觸面抗剪強(qiáng)度與粗糙度關(guān)系Fig.2 The curves between shear strength and roughness of contact interfaces under different normal loads

    根據(jù)以上規(guī)律,類(lèi)比常溫情況下土與結(jié)構(gòu)接觸面直剪試驗(yàn)[27]中對(duì)于峰值強(qiáng)度最優(yōu)的臨界粗糙度??梢酝茢喑觯涸谪?fù)溫情況下,也可以尋找出對(duì)抗剪強(qiáng)度最優(yōu)的接觸面粗糙度值。

    1.2.2對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

    粗糙度對(duì)內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c有著顯著的影響。對(duì)于“規(guī)則型”接觸面,在恒定負(fù)溫直剪試驗(yàn)[4]中,試樣為帶凹槽鋼板與土結(jié)合體,直徑為61.8 mm,高為20 mm,鋼板、土體高均為10 mm,試驗(yàn)溫度分別為-2,-5,-8 ℃,為保證恒定負(fù)溫,試驗(yàn)在高低溫環(huán)境控制試驗(yàn)箱中進(jìn)行。根據(jù)擬合的強(qiáng)度曲線得到對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。在一定的凍結(jié)溫度條件下,隨著粗糙度的增大,土與結(jié)構(gòu)接觸面間的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化如圖3所示(粗糙度定義法見(jiàn)文獻(xiàn)[4])。根據(jù)抗剪強(qiáng)度參數(shù)與接觸面凹槽的曲線可知:隨著凹槽條數(shù)增多,凍土與結(jié)構(gòu)的接觸面積增大,引起黏聚力隨粗糙度增大呈增大的趨勢(shì)。隨著凹槽條數(shù)的增大,土體顆粒與結(jié)構(gòu)間的摩擦作用增強(qiáng),但是這種摩擦作用并不會(huì)隨著凹槽數(shù)量的增多而持續(xù)增大,而是隨著凹槽數(shù)量的進(jìn)一步增多而有所減少,這也印證了粗糙度與接觸面抗剪強(qiáng)度關(guān)系中最優(yōu)粗糙度的存在性。

    a—黏聚力變化規(guī)律; b—內(nèi)摩擦角變化規(guī)律。 -2 ℃; -5 ℃; -8 ℃; ——擬合線。圖3 接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)與凹槽條數(shù)的關(guān)系[4]Fig.3 Relations between shear strength parameters of contact interfaces and quantities of grooves

    1.3 粗糙度對(duì)接觸面變形特性的影響

    接觸面的變形特性主要表現(xiàn)為凍土與接觸面間滑動(dòng)產(chǎn)生的相對(duì)位移和結(jié)構(gòu)咬合作用下在凍土體內(nèi)部發(fā)生的剪切錯(cuò)動(dòng)兩部分變形[7]。

    在凍黏土-結(jié)構(gòu)接觸面單剪試驗(yàn)中,不同凍土厚度內(nèi),隨凍土厚度的增大,凍土顆粒的剪切位移相應(yīng)地發(fā)生了減小,其剪切位移曲線在某一厚度均出現(xiàn)了拐點(diǎn),此拐點(diǎn)厚度為接觸面層厚度[7]。接觸面層厚度與接觸面的粗糙度之間存在聯(lián)系,接觸面的粗糙度越大,對(duì)應(yīng)的接觸面層厚度也越大。但隨著粗糙度的持續(xù)增大,接觸面層厚度的增幅會(huì)逐漸減小。通過(guò)微變形圖像測(cè)量技術(shù)測(cè)得的接觸面層厚度隨粗糙度變化規(guī)律如圖4所示(粗糙度定義法見(jiàn)文獻(xiàn)[7])。粗糙度在小于界限值時(shí)對(duì)接觸面層厚度起到?jīng)Q定作用,超過(guò)界限值時(shí),凍土本身的力學(xué)性質(zhì)決定了接觸面層厚度的大小。而在同一凍土厚度內(nèi),隨著結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度不斷的增大,接觸面上土顆粒位移隨之發(fā)生不同程度的增大,粗糙度對(duì)其影響較為顯著。

    圖4 界面層厚度隨粗糙度變化關(guān)系[7]Fig.4 Relations between thickness of interface layers and roughness

    2 考慮粗糙度的接觸面剪切本構(gòu)模型

    2.1 Gompertz模型對(duì)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面的適用性

    國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)常溫條件下土-結(jié)構(gòu)接觸面的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行過(guò)研究。Clough等建立了基于廣義Hooke定律的雙曲線彈性模型,并得到廣泛運(yùn)用[28]。Brandt建立了屈服強(qiáng)度位于彈塑性分界點(diǎn)的理想彈塑性模型[29]。彭凱等建立了基于廣義位勢(shì)理論的考慮剪脹及應(yīng)變軟化的接觸面彈塑性本構(gòu)模型[30]。胡黎明等建立了基于損傷力學(xué)基本原理的接觸面本構(gòu)模型[1]。陳良致等依據(jù)凍結(jié)青藏粉土-玻璃鋼直剪試驗(yàn)中應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,建立了凍土接觸面應(yīng)力-位移-溫度本構(gòu)方程[31]。潘一鳴建立了基于能量守恒原則和塑性假設(shè)的考慮粗糙度、含水率和土體種類(lèi)的塑性破壞模型[10]。何菲在分析接觸面細(xì)觀機(jī)理的基礎(chǔ)上,建立了考慮接觸面硬化和弱化效應(yīng)的黏彈塑性本構(gòu)模型[32]。夏紅春建立了基于應(yīng)變梯度塑性理論的接觸面本構(gòu)模型[33]。楊林德等建立了考慮接觸面內(nèi)部缺陷分布隨機(jī)性的統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型[34]。楊平等建立了基于損傷力學(xué)理論的凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切行為損傷模型[35]。

    研究Gompertz模型對(duì)接觸面剪應(yīng)力-剪切位移第一階段的適用性,并建立考慮粗糙度影響的剪應(yīng)力-剪切位移表達(dá)式,文獻(xiàn)[18]中凍結(jié)粉土與鋼板接觸面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線數(shù)據(jù)(粗糙度值為基于“擴(kuò)面度”的改進(jìn)粗糙度算法,無(wú)量綱)顯示:在剪切初始階段、位移小于0.3 mm時(shí),由于在負(fù)溫環(huán)境下接觸面間“冰膜”的潤(rùn)滑作用,以及不同粗糙度的影響,致使剪切應(yīng)力增長(zhǎng)速率相對(duì)緩慢。剪應(yīng)力-剪位移曲線在接觸面達(dá)到峰值應(yīng)力前呈“S”型趨勢(shì)。

    Gompertz模型是一種生長(zhǎng)曲線模型,該模型由發(fā)生、發(fā)展、成熟三個(gè)階段構(gòu)成,且每階段速率不同,這與凍結(jié)粉土-鋼板接觸面的剪切力學(xué)特征相似。文獻(xiàn)[36]介紹了采用Gompertz模型探究粗糙度-剪切應(yīng)力-位移關(guān)系,并對(duì)模型預(yù)測(cè)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

    Gompertz模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

    τ=aexp[-bexp(-cδ)]

    (1)

    式中:τ、δ分別為剪應(yīng)力和剪切位移;a、b、c分別為Gompertz模型的相關(guān)參數(shù),其中a為曲線極值,b為曲線的變化速率和陡峭程度。

    利用Origin對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,求得Gompertz模型的三個(gè)參數(shù)a、b、c,其結(jié)果見(jiàn)表2。

    表2 Gompertz三參數(shù)本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 Parameters for the constitutive model of roughness, stress, and displacement

    采用決定系數(shù)R2評(píng)價(jià)非線性的應(yīng)力-位移曲線還存在著一定的局限和不足之處,故引入相關(guān)因子β[28]來(lái)充當(dāng)評(píng)價(jià)擬合優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn),其定義為:

    (2)

    式中:δ(i)為預(yù)測(cè)位移值;δi為觀測(cè)位移值;n為樣本容量。

    關(guān)于β的評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表3所示。

    表3 模型擬合相關(guān)因子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation standards for the correlation factor β

    該試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型擬合評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示,曲線擬合結(jié)果相關(guān)因子β的評(píng)價(jià)結(jié)果為優(yōu)秀和良好,說(shuō)明利用Gompertz生長(zhǎng)曲線模型表達(dá)凍結(jié)粉土-鋼板接觸面的直剪試驗(yàn)曲線峰值應(yīng)力之前階段是較為合理的。

    表4 擬合效果評(píng)價(jià)Table 4 Evaluations for the simulation effects

    2.2 接觸面粗糙度-剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系模型

    根據(jù)文獻(xiàn)[15]試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果,以及多組數(shù)據(jù)與粗糙度之間的關(guān)系,得到Ri-τ關(guān)系曲線,得出剪應(yīng)力τ與粗糙度Ri滿(mǎn)足:

    τ=jlnRi+kRi>0

    (3)

    式中:τ為剪切應(yīng)力;j、k的值都是關(guān)于位移δ的函數(shù);Ri為粗糙度。

    j、k可由式(4)計(jì)算:

    k=lexp[-mexp(-nδ)]

    (4a)

    j=a0+a1δ+a2δ2+a3δ3+a4δ4+

    a5δ5+a6δ6+a7δ7+a8δ8+a9δ9

    (4b)

    式中:l、m、n、a0~a9為參數(shù)。

    式(3)、(4)中各個(gè)參數(shù)如表5所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合評(píng)價(jià)如表6所示。擬合曲線和試驗(yàn)曲線如圖5所示。

    表5 粗糙度影響下剪應(yīng)力和位移本構(gòu)方程各項(xiàng)參數(shù)值Table 5 Parameters for the constitutive equation between shear stress and displacement considering of roughness

    表6 粗糙度影響下剪應(yīng)力與位移關(guān)系模型參數(shù)擬合評(píng)價(jià)Table 6 Parameter fitting evaluations for the relation model between shear stress and displacement considering the influence of roughness

    a—法向應(yīng)力100 kPa; b—法向應(yīng)力200 kPa。 Ri=1.404散點(diǎn)坐標(biāo); Ri=1.286散點(diǎn)坐標(biāo); Ri=1.034散點(diǎn)坐標(biāo); ——擬合線。圖5 不同法向應(yīng)力粗糙度下剪應(yīng)力-剪切位移擬合曲線Fig.5 Fitted curves between shear displacement and sheer stress under different roughness and normal stress

    根據(jù)擬合推導(dǎo)出的不同粗糙度應(yīng)力-剪切位移曲線,可以看出:在不同的法向應(yīng)力下,同一剪切位移所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值,在接近峰值應(yīng)力階段都伴隨粗糙度的增大而升高,增幅較前一較小粗糙度相應(yīng)曲線明顯減小。同一剪應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的位移值,粗糙度較大的情況下,產(chǎn)生的位移反而較小。較大粗糙度接觸面發(fā)生剪切破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切位移也越大(圖5)。

    3 粗糙度對(duì)接觸面剪切特性影響機(jī)理

    冰晶的凍結(jié)力、土體顆粒間、土顆粒與結(jié)構(gòu)摩擦力等共同組成了接觸面凍結(jié)強(qiáng)度[37],微觀示意如圖6所示。在剪切過(guò)程中,隨著相對(duì)剪切位移的不斷增大,冰晶的凍結(jié)力被破壞。在相對(duì)剪切位移不斷增大的過(guò)程中,黏聚力并不會(huì)消失,且其與摩擦力兩者共同組成了殘余強(qiáng)度穩(wěn)定發(fā)展階段的殘余抗剪強(qiáng)度。

    a—光滑接觸面; b—粗糙接觸面。圖6 不同凍土-結(jié)構(gòu)接觸面微觀示意Fig.6 Schematic diagrams for contact interfaces between different frozen soil and micro structure

    對(duì)于粗糙度增大導(dǎo)致峰值強(qiáng)度隨即增大的現(xiàn)象,其機(jī)理為:粗糙度增大后,其接觸面結(jié)構(gòu)如圖6b所示,凍土與結(jié)構(gòu)間凍結(jié)面積增大,并且粗糙度增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與土中部分剪切面變?yōu)榇箢w粒土的結(jié)構(gòu)剪切面,使峰值強(qiáng)度也隨之變大[7]。

    在不同凍土厚度內(nèi),與結(jié)構(gòu)一起相互約束的界面層厚度也會(huì)隨著接觸面剪應(yīng)力的增大而變厚,但是粗糙度達(dá)到一定的界限值時(shí),即使土體與結(jié)構(gòu)接觸表面積增大,剪應(yīng)力也不會(huì)繼續(xù)增大,其原因是接觸面的強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到并大于凍土本身的抗剪強(qiáng)度,在凍土的內(nèi)部發(fā)生了剪切,而非接觸面層之間,此時(shí)其強(qiáng)度不再受粗糙度的影響。在同一凍土厚度內(nèi),土顆粒的位移隨接觸面粗糙度的增大而增大是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與凍土的接觸面積隨著粗糙度的增大而增大,較大的接觸面積和咬合程度帶動(dòng)接觸面土體的范圍越大、厚度越厚。

    4 粗糙度在實(shí)際工程中的應(yīng)用

    由于大批凍土工程構(gòu)筑物和建筑物相繼在寒區(qū)修建和使用,其基礎(chǔ)與天然凍土間存在著大量的接觸問(wèn)題。如多年凍土地區(qū)的樁土之間、寒區(qū)隧道襯砌與圍巖的接觸區(qū)域等;同樣在非寒區(qū)地帶,人工凍結(jié)加固法的施工過(guò)程中,也會(huì)出現(xiàn)一系列結(jié)構(gòu)和凍土的接觸面問(wèn)題。如在隧道盾構(gòu)施工中,盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)與其接觸的待掘進(jìn)區(qū)域土體之間、施工結(jié)束后形成的結(jié)構(gòu)物與土體相接處均存在著大量的接觸面問(wèn)題。該問(wèn)題廣泛存在于各類(lèi)工程之中,是研究?jī)鐾僚c結(jié)構(gòu)之間力學(xué)、變形等特性的重要紐帶。凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切特性的研究目的和任務(wù),是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)及模型試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方法,探究其力學(xué)機(jī)理及本構(gòu)關(guān)系,最終更好地服務(wù)于工程實(shí)際,為工程提供有效且準(zhǔn)確的理論指導(dǎo)。

    凍土和結(jié)構(gòu)接觸面粗糙度的增大,會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)面層抗剪強(qiáng)度的提高起到正向促進(jìn)作用。在伊卡盧伊特西北地區(qū),Biggar等通過(guò)抗拔試驗(yàn)[38-39]測(cè)得,焊接有“把柄”的樁的承載力明顯增高,是同條件下“光滑”樁承載力的2倍。噴砂樁的承載力更是顯著增加,是同樣條件下“光滑”樁承載力的4倍。使用“砂性”回填漿液其承載力甚至能夠達(dá)到平滑樁的8~10倍[40]?!肮饣北砻鏄冻蚀嘈云茐腫40],在破壞過(guò)程中,接觸面的強(qiáng)度會(huì)毫無(wú)征兆的突變至其殘余強(qiáng)度,為了避免這種突變的現(xiàn)象,可以將樁側(cè)處理的粗糙一點(diǎn)或者創(chuàng)造波紋系統(tǒng)來(lái)達(dá)到這一目的。波紋樁可以有效地抑制這種突變,在防止這一現(xiàn)象的過(guò)程中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性[40]。由此可見(jiàn),在樁基工程中,改變結(jié)構(gòu)接觸面的粗糙度,可以極大地提高樁體的承載力,明顯地抑制樁土之間的脆性破壞。

    對(duì)于結(jié)構(gòu)界面粗糙度來(lái)說(shuō),并非越大對(duì)工程越有利,相反,較小或“光滑”的界面也會(huì)給工程帶來(lái)較大的益處。利用光滑玻璃鋼等粗糙度較小的接觸面在基礎(chǔ)之上,可以有效地削減多年凍土和基礎(chǔ)接觸面間的凍結(jié)作用,從而達(dá)到減小切向凍脹力的作用。溫智等通過(guò)青藏粉土-玻璃鋼接觸面直剪試驗(yàn)驗(yàn)證并成功在青藏直流輸變電工程之中實(shí)際應(yīng)用,減小了凍脹力對(duì)基礎(chǔ)的凍拔作用[41]。

    5 結(jié)束語(yǔ)

    1)凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線存在明顯的峰值,破壞后應(yīng)力下降較為明顯,之后,應(yīng)力-位移曲線趨于平緩,接觸面峰值強(qiáng)度值與粗糙度相關(guān)性較大,殘余強(qiáng)度受粗糙度的影響不大。同一凍土厚度上,粗糙度越大,凍土顆粒的相對(duì)位移亦愈大,因?yàn)榇植诙仍龃?,凹槽?duì)土顆粒的帶動(dòng)會(huì)隨之增大。同樣,粗糙度增大,剪脹性愈發(fā)顯著。

    2)Gompertz模型能較好地模擬峰值強(qiáng)度之前凍結(jié)粉土-鋼板剪應(yīng)力-剪切位移曲線,建立的考慮粗糙度影響的凍結(jié)粉土與鋼板接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系模型能較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同粗糙度下凍土-鋼板接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線。但還無(wú)法尋找出粗糙度的最優(yōu)情況,在此方面還需進(jìn)一步改進(jìn)。

    3)冰晶的凍結(jié)力、土體顆粒間、土顆粒與結(jié)構(gòu)摩擦力等共同組成了接觸面凍結(jié)強(qiáng)度。粗糙度的增大會(huì)改變剪切面面積,并改變土顆粒在結(jié)構(gòu)接觸面中的排列以及鑲嵌方式,從而提高剪切強(qiáng)度。粗糙度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響體現(xiàn)在粗糙度對(duì)黏聚力及內(nèi)摩擦角的共同影響。

    4)當(dāng)前的研究中,對(duì)粗糙度的定義還不夠統(tǒng)一,沒(méi)有建立統(tǒng)一的粗糙度度量標(biāo)準(zhǔn)。在粗糙度的定義量化上,每種方法都具有一定的局限性,且各種方法之間的相互轉(zhuǎn)化較為困難,亟需建立粗糙度量化標(biāo)準(zhǔn)。

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