剪切速率對(duì)黏性土-混凝土界面抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

王永洪，張明義，白曉宇，劉俊偉

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院;藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 青島 266033)

受到土的種類(lèi)及試驗(yàn)條件的影響，土與混凝土接觸面的剪切機(jī)制非常復(fù)雜。這些影響因素包括土的類(lèi)別及物理狀態(tài)、界面粗糙度、應(yīng)力歷史及大小、剪切速率等[3]。關(guān)于這一課題，雖然目前已取得了眾多的研究成果，但對(duì)其中的主要影響因素仍沒(méi)有得到一致的結(jié)論，原因是試驗(yàn)材料、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法的不同[4-6]。

土的種類(lèi)對(duì)界面剪切特性的影響非常顯著。眾多學(xué)者研究了土體與混凝土界面的相互作用特性，土的種類(lèi)包括砂土[7-9]、粗粒土[10]和黏性土[11-13]。張嘎等[14]、張治軍等[15]、彭凱等[16]、朱俊高等[17]還研究了泥皮的存在對(duì)界面力學(xué)特性和作用機(jī)制的影響。關(guān)于界面剪切強(qiáng)度受剪切速率的影響，孫濤等[18]對(duì)超固結(jié)黏土在3種不同剪切速率下進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，分析表明，剪切速率在1 cm/s時(shí)殘余強(qiáng)度幾乎與剪切速率在0.01 cm/s和0.1 cm/s一樣。黃文熙[19]認(rèn)為在低法向應(yīng)力下，干砂的抗剪強(qiáng)度受剪切速率影響可以忽略不計(jì)。周杰等[20]在5種不同剪切速率和16組高法向應(yīng)力試驗(yàn)條件下，得到了標(biāo)準(zhǔn)砂抗剪強(qiáng)度高、低應(yīng)力分界點(diǎn)和快慢剪切速率分界線(xiàn)。徐肖峰等[21]研究了粗粒土隨剪切速率變化抗剪強(qiáng)度和顆粒破碎的變化規(guī)律，剪切速率在5 mm/min以上時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨剪切速率減小而降低，剪切速率在5 mm/min以下時(shí)剪切速率越小，顆粒破碎率越大。

綜上所述，目前有關(guān)剪切速率對(duì)黏性土與混凝土界面剪切強(qiáng)度影響的研究較少，尤其缺少樁-土界面抗剪強(qiáng)度受剪切速率影響的研究。筆者對(duì)黏性土-混凝土界面進(jìn)行了不同剪切速率下的大型直剪試驗(yàn)，探討了樁-土界面抗剪強(qiáng)度受剪切速率變化的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器為自行研制的大型恒剛度樁-土界面直剪儀。該試驗(yàn)系統(tǒng)由恒剛度加載系統(tǒng)、剪切模擬系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4部分組成，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1、圖2、圖3所示。該儀器剪切速率由滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)了螺桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橄录羟泻兄本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，絲杠旋轉(zhuǎn)一圈，下剪切盒移動(dòng)10 mm。數(shù)控電機(jī)通過(guò)變頻電機(jī)、減速機(jī)及變頻器控制箱控制下剪切盒移動(dòng)、停止及剪切速率。采用滾珠絲杠和數(shù)控電機(jī)最終實(shí)現(xiàn)了上剪切盒靜止，下剪切盒移動(dòng)，最大單向剪切位移為200 mm。大型恒剛度樁-土界面直剪儀主要參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 恒剛度彈簧加載系統(tǒng)Fig.1 Main part of constant normal stiffness

圖2 樁-土界面剪切模擬系統(tǒng)Fig.2 Shear simulation system of pile-soil

圖3 大型恒剛度樁-土界面剪切儀Fig.3 Large-scale constant normal stiffness direct shear apparatus of pile-soil

剪切速率/(mm·min-1)有效接觸面積/m2最大位移/mm往復(fù)單向0.15～150.21100200

1.2 土樣制備

黏土取自青島某地基坑開(kāi)挖，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50123—1999)[22]的要求重塑土樣，原狀黏土需要烘干、粉碎和0.075 mm過(guò)篩3道工序，預(yù)配含水率為28%、干密度為1.58 g/cm3的飽和土樣并分5次分層擊實(shí)，預(yù)配結(jié)束后靜置2～3 d。試驗(yàn)制備黏土參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)制備黏土參數(shù)Table 2 Parameters of seepage property for sandstone

1.3 傳感器安裝

為了測(cè)試在不同剪切速率下進(jìn)行的剪切試驗(yàn)過(guò)程中黏性土與混凝土界面超孔隙水壓力的變化情況，在留有鋸齒狀的混凝土塊上預(yù)留孔洞，安裝2個(gè)微型硅壓阻式孔隙水壓力傳感器，測(cè)試黏性土與混凝土界面超孔隙水壓力大小，孔隙水壓力傳感器尺寸為8 mm×15 mm。同時(shí)，在距離孔隙水壓力傳感器中點(diǎn)10 cm處安裝1個(gè)微型硅壓阻式土壓力傳感器，土壓力傳感器測(cè)試結(jié)果為黏性土與混凝土界面的法向應(yīng)力，土壓力傳感器尺寸為20 mm×10 mm。孔隙水壓力和土壓力傳感器安裝如圖4所示。

圖4 微型硅壓阻式孔隙水壓力和土壓力傳感器安裝Fig.4 Installation of silicon piezoresistive pore water pressure and soil pressure

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

直剪試驗(yàn)方案如表3所示。首先，給各土樣都施加法向應(yīng)力200 kPa，使土體固結(jié)穩(wěn)定至超孔隙水壓力基本保持不變。然后，將法向應(yīng)力分別卸至25、50、100、150 kPa，由于試驗(yàn)土樣是低塑性的黏性土，對(duì)黏性土結(jié)構(gòu)性影響小，不考慮因形成不同超固結(jié)比造成的影響。最后，保持法向應(yīng)力不變，在0.4、0.6、0.8、1.0、2.0、5.0 mm/min剪切速率下進(jìn)行大型直剪試驗(yàn)。

表3 直剪試驗(yàn)方案Table 3 Program of direct shear test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 黏性土與混凝土界面超孔隙水壓力變化曲線(xiàn)

試驗(yàn)之前將硅壓阻式孔隙水壓力傳感器置于水中15 min，使傳感器透水石內(nèi)充滿(mǎn)水。首先給土體施加法向應(yīng)力200 kPa，此時(shí)兩個(gè)孔隙水壓力傳感器讀數(shù)均較大。進(jìn)行剪切試驗(yàn)前記錄法向應(yīng)力分別卸載至25、50、100、150 kPa時(shí)的兩個(gè)傳感器讀數(shù)，即初始超孔隙水壓力，兩個(gè)傳感器讀數(shù)基本一致，法向應(yīng)力越大，超孔隙水壓力越大，此規(guī)律與樁-土界面產(chǎn)生的超孔隙水壓力隨沉樁深度(上覆壓力)增加而增大的規(guī)律相似[23-24]，不同法向應(yīng)力時(shí)的初始超孔隙水壓力大小如圖5所示。

選擇大小適中、無(wú)病蟲(chóng)害侵染的薯塊洗凈自然晾干后，采用75 %乙醇表面消毒后晾干，切成厚約1 cm的薯片，把切好的薯片放入配好的孢子懸浮液內(nèi)浸一下，取出薯片晾干表面水分，再放入無(wú)菌培養(yǎng)皿內(nèi)培養(yǎng)，期間采用紙巾或棉花團(tuán)保濕紙，將接種的薯塊置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5～6 d，薯片表面長(zhǎng)滿(mǎn)淺灰色的分生孢子，用30 mL無(wú)菌水沖洗，紗布過(guò)濾去除菌絲后，測(cè)量孢子懸浮液中目鏡10倍及物鏡20倍顯微鏡下一個(gè)視野內(nèi)孢子數(shù)，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)制片3張。該方法設(shè)為對(duì)照組②。

圖5 不同法向應(yīng)力時(shí)的初始超孔隙水壓力大小Fig.5 Variation curves of initial excess pore water pressure under different normal

以0.4 mm/min剪切速率為例，超孔隙水壓力與剪切位移變化曲線(xiàn)如圖6所示，由圖可見(jiàn)，超孔隙水壓力變化不大，在法向應(yīng)力25、50 kPa時(shí)，剪切位移在0～5 mm超孔隙水壓力呈上升趨勢(shì)，剪切位移增大時(shí)，超孔隙水壓力出現(xiàn)波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定；在法向應(yīng)力100、150 kPa時(shí)，超孔隙水壓力隨著剪切位移增大緩慢上升，最后趨于穩(wěn)定，但超孔隙水壓力變化均沒(méi)超過(guò)2 kPa。由此可見(jiàn)，超孔隙水壓力剪切發(fā)生時(shí)，既沒(méi)有消散，也沒(méi)有因超孔隙水壓力過(guò)大而產(chǎn)生土體隆起破壞的現(xiàn)象。其他剪切速率下超孔隙水壓力隨剪切位移變化曲線(xiàn)沒(méi)有一一列出，超孔隙水壓力隨著剪切速率變大而變大。

圖6 剪切速率0.4 mm/min時(shí)超孔隙水壓力與剪切位移變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curves of excess pore water pressure versus shear strain with the shear rate of 0.4 mm/min

2.2 不同剪切速率下的剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)

根據(jù)有效應(yīng)力原理，有效法向應(yīng)力等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力，超孔隙水壓力隨著剪切速率提高而變大，從圖7可以看出剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)在不同剪切速率下大體一致，在同一剪切速率下，剪切峰值強(qiáng)度和剪切破壞位移隨有效法向應(yīng)力增大而增大。

圖7 不同剪切速率下的τ-u曲線(xiàn)Fig.7 Shear stress-shear displacement curves under different shear

2.3 剪切速率對(duì)剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)的影響

圖8為不同總法向應(yīng)力剪應(yīng)力-剪切位移(τ-u)曲線(xiàn)。由圖8可見(jiàn)，剪切峰值強(qiáng)度需要克服越來(lái)越大的剪應(yīng)力才能達(dá)到穩(wěn)定，其對(duì)應(yīng)的剪切破壞位移也越來(lái)越大，剪切破壞位移在25 kPa和150 kPa時(shí)分別為2～3 mm和10～12 mm。

當(dāng)總法向應(yīng)力為25、50 kPa時(shí)，τ-u曲線(xiàn)在不同剪切速率下基本重合，但剪切速率5.0 mm/min的曲線(xiàn)在最下方，當(dāng)總法向應(yīng)力增大到100、150 kPa時(shí)，τ-u曲線(xiàn)在不同剪切速率下產(chǎn)生了一定的偏離，且總法向應(yīng)力越大偏離越明顯，剪切速率越大偏離越大，剪切速率5.0 mm/min的曲線(xiàn)仍是在最下方。如圖8(d)所示，總法向應(yīng)力150 kPa時(shí)，在剪切速率5.0 mm/min時(shí)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象最明顯。可以認(rèn)為剪切速率越大，超孔隙水壓力來(lái)不及消散，土顆粒間沒(méi)有進(jìn)行定向排列，越容易出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，由此推斷，τ-u曲線(xiàn)與剪切速率有關(guān)[18]。

圖8 不同總法向應(yīng)力下的τ-u曲線(xiàn)Fig.8 Shear stress-shear displacement curves under different effective normal

2.4 剪切速率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)不同剪切速率下黏性土與混凝土界面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值，圖9給出了在4種不同總法向應(yīng)力狀態(tài)下黏性土與混凝土界面抗剪強(qiáng)度隨剪切速率的變化情況。從圖9可以看出：總法向應(yīng)力為25、50 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度在最大和最小剪切速率下的差值小于10%。但當(dāng)總法向應(yīng)力為100、150 kPa時(shí)，在0.4～5.0 mm/min剪切速率范圍內(nèi)抗剪強(qiáng)度變化可達(dá)15%以上。

本文的研究結(jié)果與周杰等[20]和徐肖峰等[21]的試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，周杰的試驗(yàn)表明：剪切速率增大抗剪強(qiáng)度減小，且隨著法向應(yīng)力增大，減小的速率越快。徐肖峰的粗粒土的大型直剪試驗(yàn)結(jié)果表明：剪切速率由5 mm/min增大到10 mm/min，抗剪強(qiáng)度反而明顯減小約14%。與孫濤等[18]的直剪試驗(yàn)結(jié)果稍有差別，孫濤的超固結(jié)飽和黏土環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果隨著剪切速率增大，剪切峰值強(qiáng)度和穩(wěn)定殘余強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的剪切破壞位移反而增加。

根據(jù)已有研究成果及直剪試驗(yàn)結(jié)果可嘗試性的總結(jié)兩點(diǎn)結(jié)論：1)在一定的剪切速率下，如文中的1.0～5.0 mm/min和周杰的1.0 mm/min對(duì)界面抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響；2)就黏性土而言，在快速剪切條件下，超固結(jié)飽和黏性土對(duì)剪切速率可能更加敏感，此時(shí)黏性土的應(yīng)力歷史對(duì)黏性土與混凝土界面抗剪強(qiáng)度的影響很大。

圖9 抗剪強(qiáng)度與剪切速率的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.9 Curves of shear strength with shear

2.5 剪切速率對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

黏性土與混凝土界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在抗剪強(qiáng)度曲線(xiàn)上得以體現(xiàn)。圖10為試驗(yàn)中不同剪切速率時(shí)黏性土與混凝土界面的抗剪強(qiáng)度擬合直線(xiàn)。由圖10可知，黏性土與混凝土界面抗剪強(qiáng)度隨著有效法向應(yīng)力的增大呈線(xiàn)性增加，擬合直線(xiàn)相關(guān)系數(shù)分別為：0.998、0.969、0.996、0.994、0.995、0.996，遵循摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則

τf=σ′tanφ′+c′

(1)

式中：τf定義為黏性土與混凝土界面抗剪強(qiáng)度,kPa；σ′定義為黏性土與混凝土界面有效法向應(yīng)力,kPa；φ′定義為黏性土與混凝土界面有效摩擦角；c′定義為黏性土與混凝土界面有效粘著力,kPa。

圖10 不同剪切速率下黏性土-混凝土界面τf-σ′曲線(xiàn)Fig.10 Shear strength-effective normal stresses curves of cohesive soil-concrete interface under different shear

為了分析黏性土與混凝土界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)受剪切速率的影響，將4種剪切速率下黏性土與混凝土界面的抗剪強(qiáng)度擬合直線(xiàn)進(jìn)行比較。剪切速率不同，抗剪強(qiáng)度擬合直線(xiàn)斜率稍有變化，黏性土與混凝土界面在剪切速率增大時(shí)，抗剪強(qiáng)度擬合直線(xiàn)斜率減小，如圖11(a)所示，即黏性土與混凝土界面摩擦系數(shù)受到了剪切速率的影響，剪切速率從0.4 mm/min增加至5.0 mm/min，摩擦系數(shù)減小0.1。

黏性土與混凝土界面在剪切速率增大時(shí)有效黏聚力出現(xiàn)波動(dòng)，如圖11(b)所示，但剪切速率由0.4 mm/min增加至0.6 mm/min時(shí)，有效黏著力增加0.87 kPa，剪切速率由0.6 mm/min增加至5.0 mm/min時(shí)，有效黏著力減小5.93 kPa。

由以上分析可知，剪切速率影響?zhàn)ば酝僚c混凝土界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，這與根據(jù)圖9所得到的結(jié)論一致。

圖11 不同剪切速率下的摩擦系數(shù)和有效黏著力Fig.11 Friction coefficient and effective adhesive force under different shear

3 結(jié)論

基于不同剪切速率下的黏性土-混凝土界面直剪試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：

1)黏性土-混凝土界面超孔隙水壓力同時(shí)受法向應(yīng)力和剪切速率的影響，隨著法向應(yīng)力增大和剪切速率的提高，超孔隙水壓力逐漸增大。

2)隨著剪切速率提高，剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)走向大體一致，在相同剪切速率下，剪切峰值強(qiáng)度和剪切破壞位移隨效法向應(yīng)力增大而增大。

3)在法向應(yīng)力較小時(shí)，剪應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)在各剪切速率下基本重合，法向應(yīng)力增大，較快剪切速率下曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯偏離，剪切速率5.0 mm/min的曲線(xiàn)在最下方，剪切破壞位移由2～3 mm增大到10～12 mm。較快剪切速率下曲線(xiàn)產(chǎn)生了明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在剪切速率5.0 mm/min時(shí)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象最明顯。

4)總法向應(yīng)力為25、50 kPa時(shí)，剪切速率增大，抗剪強(qiáng)度會(huì)略有減小，抗剪強(qiáng)度的差值小于10%，當(dāng)總法向應(yīng)力為100、150 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度受剪切速率影響，變化可達(dá)15%以上。

5)黏性土與混凝土界面摩擦系數(shù)有效黏著力受到了剪切速率的影響，剪切速率從0.4 mm/min增加至5.0 mm/min，摩擦系數(shù)減小0.1，有效黏著力隨著剪切速率的增大出現(xiàn)波動(dòng)。