粗粒土與混凝土接觸面剪切特性試驗研究

鄧國棟

(中鐵建南方建設投資有限公司，廣東 深圳 518000)

土體與地下結構相互作用問題廣泛存在于巖土工程領域，如土與樁基礎、土與隧道結構、土與地下管道等，由于其數(shù)學描述涉及到不連續(xù)、非線性和大變形等復雜力學問題，因此一直是巖土領域的熱點課題之一。土體與混凝土接觸面作為土體與結構相互作用系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進行接觸面力學特性的研究具有重要意義。

國內外學者針對土體與結構接觸面開展了廣泛的研究，Uesugi和Kishida針對砂土與結構接觸面開展了系統(tǒng)的研究，分析了土體級配、相對密實度、含水率和結構面粗糙度等因素對接觸面剪切強度的影響規(guī)律；夏紅春等針對深部地下結構與土體相互作用問題，開展了高法向應力條件下標準砂與結構接觸面的直剪試驗；金子豪等提出了修正的灌砂法粗糙度計算方法，并進行了不同粗糙度條件下砂土與混凝土結構接觸面剪切試驗，分析了粗糙度對接觸面的剪切強度與變形規(guī)律的影響；Taha進行了海相黏土與鋼板接觸面剪切試驗，研究了法向應力、超固結比、含鹽量以及粗糙度對接觸面剪切強度的影響；Feligha和Hammouda等通過不同黏土礦物成分和粗糙度條件下的黏性土與鋼板接觸面的直剪試驗，研究發(fā)現(xiàn)粗糙度對接觸面剪切強度的影響存在臨界值，并進一步探討了粗糙度與界面剪切破壞模式之間的聯(lián)系；張明義等通過黏性土與不同粗糙表面混凝土板的室內直剪試驗，定量分析了粗糙度對接觸面力學參數(shù)的影響，并通過在混凝土板表面預裝的微型孔隙水壓力傳感器，分析了剪切過程中界面孔隙水壓力的變化規(guī)律。

上述關于接觸面力學特性的研究成果主要是針對黏性土或是砂土，而粗粒土由于其優(yōu)良的工程特性，已經(jīng)被廣泛應用于路基工程、土石壩工程等領域。目前針對粗粒土力學特性的研究已較為豐富，但針對粗粒土與混凝土接觸面的研究還較少。粗粒土作為一種典型的散粒體材料，其顆粒粒徑較之砂土顆粒相對較大，因此粗粒土與混凝土接觸面的力學特性與黏性土或砂土與結構接觸面存在明顯的差異。為了研究結構面粗糙度對粗粒土與結構接觸面力學特性的影響，該文采用具有規(guī)則凹槽的混凝土接觸面來模擬實際粗糙接觸面，進行不同法向應力條件下粗粒土與規(guī)則結構面的大型直剪試驗，探討粗糙度對接觸面剪切變形曲線及強度參數(shù)的影響規(guī)律。

1 試驗設備與材料

1.1 試驗設備

試驗設備采用大型多功能界面直剪試驗儀TAW-800，該設備主要由主機加載系統(tǒng)、液壓伺服控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)組成。設備加載系統(tǒng)可施加的最大法向荷載為800 kN，最大水平剪切荷載為400 kN，水平最大剪切位移可達到300 mm。加載方式可采用應力控制或位移控制。直剪儀剪切盒尺寸為500 mm(長)×500 mm(寬)×150 mm(高)，不僅能進行常規(guī)的黏性土或砂土的直剪試驗，也能適用于粒徑更大的粗粒土直剪試驗。剪切過程中所得的試驗數(shù)據(jù)通過計算機系統(tǒng)自動記錄并保存。

1.2 試驗土樣

試驗所用粗粒土為經(jīng)人工破碎的灰?guī)r碎石料，對其進行室內篩分試驗得到級配曲線如圖1所示，根據(jù)級配曲線得到該粗粒土的平均粒徑為3.3 mm，不均勻系數(shù)約為4.12，曲率系數(shù)約為1.55。通過大型擊實試驗確定該粗粒土的最大干密度約為1.92 g/cm3。

圖1 粗粒料級配曲線

1.3 混凝土表面設計與評價

試驗中采用預制的混凝土試塊來模擬實際工程中的結構物，試塊尺寸為570 mm(長)×570 mm(寬)×170 mm(高)。結構表面粗糙度是影響土體與結構接觸面力學特性的重要因素，考慮到實際工程中粗糙結構表面的形貌特征較為復雜，比如鉆孔灌注樁和地下連續(xù)墻等通過混凝土現(xiàn)場澆筑而成的結構物，其與周圍土體的接觸面往往是凹凸不平的粗糙面，且接觸界面的粗糙度難以獲取。為了便于研究，室內試驗中往往通過在混凝土試塊預制不同的規(guī)則形狀凹槽來模擬粗糙的結構面。該文通過在混凝土試塊表面預制規(guī)則的半圓形凹槽來對其進行粗糙化處理，其中半圓形凹槽的直徑d=50 mm。試塊表面凹槽數(shù)量分別設置為0、1、3、5個，用以表征不同的粗糙程度的結構面，對應的試塊編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。

灌砂法是目前進行混凝土表面粗糙度評定的常用方法，其具體的測量方法是用擋板將混凝土試塊四周圍起來，并使擋板最高點與試塊表面最高點平齊，然后將標準砂灌入圍擋內并保證所灌入標準砂的頂面與圍擋頂面相平。試塊表面的粗糙度采用平均灌砂深度來表征，其具體計算公式如下：

(1)

式中：R為表面粗糙度；S為試塊表面面積；V為所灌入的標準砂體積；根據(jù)式(1)計算得到的結構表面粗糙度結果見表1。

表1 混凝土表面粗糙度評定結果

2 試驗方案

在進行土與結構接觸面剪切試驗時，首先將下剪切盒替換為混凝土試塊，通過調整墊塊使得試塊表面與上剪切盒底面平齊，然后將土樣分層裝入上剪切盒中，以形成粗粒土試樣與混凝土試塊表面的有效接觸。試樣制備過程中需要對剪切盒內粗粒料分層進行整平、壓實，并控制各層壓實度為90%，層間表面需進行刮毛以避免出現(xiàn)明顯的分層。每組試樣在法向應力分別為100、200、400、800 kPa下進行試驗，剪切過程中剪切速率恒定為1 mm/min，當剪切位移達到40 mm時終止試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 接觸面剪切試驗結果

不同試驗條件下粗粒料與混凝土接觸面剪切應力與位移關系曲線如圖2所示。

從圖2可以看出：對于粗粒料與混凝土接觸面，剪切初期剪切應力均隨剪切位移的增大近似呈線性增長；隨著剪切位移的繼續(xù)增大，接觸面剪切應力的增大速率逐漸減小。法向應力越大，接觸面初始剪切剛度越大，所達到的最終剪切應力值也越大。粗糙度對接觸面的剪切曲線形態(tài)有著一定的影響；在接觸面相對光滑時(R=0 mm)，接觸面的剪切應力在達到最大值后幾乎保持不變，此時接觸面并未表現(xiàn)出明顯的剪切硬化現(xiàn)象；而隨著粗糙度的增大，接觸面的剪切應力在達到轉折點后仍繼續(xù)增加，但其增大速率逐漸減小，接觸面的剪切硬化現(xiàn)象較為顯著。

3.2 接觸面剪切應力比

圖3為接觸面剪切應力比隨法向應力的變化曲線，其中剪切應力比定義為接觸面剪切強度τf與法向應力σ的比值。

從圖3可以看出：相同粗糙度時，接觸面剪切應力比隨法向應力的增大呈現(xiàn)非線性衰減趨勢，以粗糙度R=0 mm為例，法向應力分別為100、200、400、800kPa時，接觸面剪切應力比分別為1.05、0.93、0.84、0.81；剪切應力比隨法向應力的增大減小了27.8%。金子豪等和Irsyam在進行砂土與結構界面剪切試驗時也得到了相同的結論。這可能是因為高法向應力下粗粒料顆粒更容易發(fā)生破碎，需要消耗外力做功，且顆粒破碎耗散的能量隨法向應力的增大而增大；但同時高法向應力下的顆粒破碎又會促進顆粒的重排列，導致剪切面摩擦阻力的提高，二者綜合作用下導致了隨法向應力增大，接觸面剪切強度提高的同時剪切應力比降低。

圖2 不同法向應力下接觸面剪切應力與剪切位移曲線

圖3 接觸面剪切應力比與法向應力關系曲線

根據(jù)接觸面剪切應力比與法向應力的關系曲線形式，采用指數(shù)形衰減函數(shù)對二者的關系進行擬合：

τf/σ=aexp(-bσ)+c

(2)

式中：τf為接觸面剪切強度；σ為法向應力；a、b和c為擬合參數(shù)。

擬合結果見圖3，相關參數(shù)見表2。從表2可以得出擬合相關系數(shù)均大于0.962，表明擬合結果良好。

表2 剪切應力比與法向應力關系擬合結果

圖4為接觸面剪切應力比隨粗糙度的變化曲線。

圖4 接觸面剪切應力比與粗糙度關系曲線

從圖4可以看出：① 相同法向應力時，接觸面剪切應力比隨粗糙度的增大而增大。以法向應力為100 kPa為例，粗糙度分別為0、1.96、5.89、9.81 mm時，接觸面剪切應力比分別為1.05、1.55、1.68、1.84，表明隨粗糙度的增大，接觸面剪切強度得到明顯的提高。剪切應力比與粗糙度的關系曲線存在轉折點，該轉折點對應的粗糙度值為1.96 mm，當粗糙度小于1.96 mm時，剪切應力比隨粗糙度的增大顯著增大；當粗糙度大于1.96 mm時，隨粗糙度的增大，剪切應力比的增大速率明顯減??；② 隨粗糙度的增大，接觸面剪切應力比的增大幅度從100 kPa時的76.3%減小到800 kPa時的12.1%。這也表明在低法向應力下，粗糙度對接觸面剪切應力比的影響更為顯著，這與夏紅春通過砂土與結構接觸面剪切試驗所得到的結論相同。

3.3 粗糙度對接觸面強度參數(shù)的影響

根據(jù)剪切試驗結果得到不同粗糙度與法向應力條件下接觸面的剪切強度，圖5為接觸面剪切強度隨法向應力的變化規(guī)律。

圖5 接觸面剪切破壞包絡線

從圖5可以看出：相同粗糙度條件下接觸面剪切強度隨法向應力的增大近似呈線性增大。通過線性擬合得到不同粗糙度條件下接觸面的剪切破壞包絡線如圖5所示；二者擬合的相關系數(shù)均在0.992以上，表明接觸面的剪切破壞符合摩爾-庫侖強度準則，即：

τf=σtanφ+c

(3)

式中：τf為接觸面剪切強度；σ為法向應力；φ為內摩擦角；c為表觀黏聚力。

接觸面的表觀黏聚力與黏性土的黏聚力不同，黏性土的黏聚力主要表現(xiàn)為顆粒間膠結物的膠結力、黏粒間的電荷吸力和分子吸力等，而接觸面的表觀黏聚力則主要表現(xiàn)為粗顆粒間以及粗顆粒與粗糙結構面間的咬合力或嵌固力，這與郭慶國所提出的粗粒土的表觀黏聚力類似。

根據(jù)接觸面的剪切破壞包絡線，可得到不同粗糙度條件接觸面的強度參數(shù)，圖6為接觸面強度參數(shù)隨粗糙度的變化曲線。

圖6 接觸面強度參數(shù)隨粗糙度變化曲線

從圖6可以看出：粗糙度的增大能夠顯著地提高接觸面表觀黏聚力，但對接觸面內摩擦角影響很小。這是因為對于粗粒料與混凝土接觸面而言，其表觀黏聚力表現(xiàn)為土顆粒與粗糙結構表面的咬合力或嵌固力。當混凝土表面相對光滑(R=0 mm)時，接觸面剪切應力主要由土顆粒與結構面之間的摩擦作用來提供，而土顆粒與結構表面的咬合作用并不明顯，此時接觸面的表觀黏聚力也較小(16.38 kPa)。隨著粗糙度的增大，受規(guī)則結構表面凹槽的約束，剪切過程中不僅存在土顆粒與結構面光滑部分的摩擦作用，同時也存在土體顆粒自身的咬合、嵌固作用，導致了接觸面表觀黏聚力的顯著增大。

4 結論

(1)粗糙度對粗粒土與混凝土接觸面剪切應力-位移曲線有著顯著的影響，隨粗糙度的增大，接觸面剪切應力-位移曲線從折線形向雙曲線形發(fā)展。

(2)接觸面剪切應力比隨法向應力的增大呈指數(shù)型衰減，隨粗糙度的增大而增大。粗糙度對接觸面剪切應力比的影響存在臨界值。

(3)不同粗糙度條件下接觸面剪切強度與法向應力之間表現(xiàn)出良好的線性關系，采用摩爾-庫侖強度公式進行擬合發(fā)現(xiàn)：粗糙度的增大能顯著提高接觸面表觀黏聚力，但對內摩擦角的影響很小。