考慮結(jié)構(gòu)表層粗糙度的混凝土樁-黏土界面剪切特性試驗(yàn)研究

汪優(yōu)，李奕金，譚偉，湯明明，杜煒

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075)

樁-土相互作用是巖土工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題[1-3]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明：樁基受到豎向荷載時(shí)，樁-土相互作用是由樁-土接觸面來(lái)傳遞的[4-6]。由于樁體與土體材料力學(xué)性質(zhì)的差異、接觸面粗糙度、外力、土顆粒和含水率等內(nèi)外部因素的影響，使樁-土接觸面產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)、滑移或者開(kāi)裂等非連續(xù)變形，力學(xué)特性變得異常復(fù)雜。因此，探究不同因素對(duì)樁-土接觸面力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，是研究樁基承載力、 沉降和變形等問(wèn)題的基礎(chǔ)。POTYONDY[7]在大量剪切試驗(yàn)基礎(chǔ)上，指出接觸面粗糙度、法向應(yīng)力、土質(zhì)和含水率是接觸面剪切強(qiáng)度的主要影響因素。CHEN 等[8]開(kāi)展不同粗糙度的混凝土板-紅黏土接觸面直剪試驗(yàn)，指出混凝土板表面凹槽數(shù)量對(duì)接觸面粗糙度有顯著影響，接觸面內(nèi)摩擦角始終小于土體自身內(nèi)摩擦角。石熊等[9]通過(guò)開(kāi)展紅黏土-混凝土直剪試驗(yàn)，指出隨著接觸面粗糙度的增大，接觸面抗剪強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度、黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小。成浩等[10]在此基礎(chǔ)上研究了粗糙度對(duì)接觸面殘余強(qiáng)度的影響，并提出接觸面粗糙度的增加能夠明顯提高接觸面殘余剪切強(qiáng)度，但此種影響伴隨著法向應(yīng)力的增大而逐漸弱化。金子豪等[11]開(kāi)展混凝土-砂土直剪試驗(yàn)，指出接觸面峰值、殘余應(yīng)力比隨法向應(yīng)力的增大而減小，接觸面峰值應(yīng)力比隨粗糙度對(duì)數(shù)lgR近似線(xiàn)性增長(zhǎng)，同時(shí)指出砂土自身剪切強(qiáng)度不是混凝土-砂土接觸面剪切強(qiáng)度的上限。張嘎等[12]開(kāi)展粗粒土與人工粗糙鋼板接觸面剪切試驗(yàn)，指出接觸面變形可分解為同時(shí)發(fā)生、相互影響的土與結(jié)構(gòu)接觸面上的滑移變形及結(jié)構(gòu)面附近的土在約束之下的剪切變形2部分。陸勇等[13]采用高壓直剪儀進(jìn)行了砂礫與不同粗糙度鋼板結(jié)構(gòu)面接觸剪切試驗(yàn)，提出接觸面粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性有直接影響，中壓與高壓下接觸面的力學(xué)特性呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。劉方成等[14]利用改進(jìn)的循環(huán)單剪試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展不同法向應(yīng)力、接觸面粗糙度條件下粉質(zhì)黏土-混凝土接觸面剪切試驗(yàn)，指出接觸面破壞主要分為接觸面附近土體自身剪切破壞和接觸面滑移破壞2種形式，且接觸面粗糙度和法向壓力越大，越趨向于土體自身剪切破壞。王佳等[15]進(jìn)行了砂土與不同粗糙度表面的混凝土板的大型直剪試驗(yàn)研究，并指出界面粗糙度能夠明顯提高接觸面抗剪強(qiáng)度，但隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度的影響逐漸減弱。黃東梅等[16]和盧照亮等[17]在風(fēng)洞試驗(yàn)研究中分別采用砂紙模擬高層建筑物、斜拉索等建筑物表面由于材料尺寸的差異性導(dǎo)致的凹凸不平整。羅耀武等[18]在模型樁表面粘貼砂紙，以砂紙表面最大粒徑衡量模型樁樁側(cè)表面粗糙度，研究粗糙度對(duì)抗拔樁承載特性的影響。上述學(xué)者在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探究不同影響因素下接觸面力學(xué)特性的變化規(guī)律，并取得了重大進(jìn)展，對(duì)樁-土界面力學(xué)特性的研究具有借鑒意義，但還存在一些不足之處。例如，采用結(jié)構(gòu)面上開(kāi)挖規(guī)則形狀孔槽的方法模擬混凝土-土接觸面不同粗糙度，雖然簡(jiǎn)單易行，但側(cè)重于從宏觀(guān)角度分析粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響，忽略了混凝土表面粗糙度的不規(guī)則性及孔槽與土顆粒尺寸相差較大時(shí)對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響，對(duì)于混凝土預(yù)制樁、擋土墻等采用模板澆筑結(jié)構(gòu)，由于由施工控制條件、氣候等其他因素而在其表面形成的不規(guī)則凹凸形狀無(wú)法有效模擬；雖然有些學(xué)者人為制造不規(guī)則的混凝土表面粗糙度或者采用不同規(guī)格砂紙來(lái)從微觀(guān)角度模擬結(jié)構(gòu)物表面粗糙度，只是籠統(tǒng)的定義粗糙度，并未對(duì)結(jié)構(gòu)物表層粗糙度進(jìn)行深入研究，缺乏可定量的結(jié)構(gòu)物表層粗糙度計(jì)算確定公式。因此，本文作者根據(jù)不同規(guī)格砂紙表面粗糙度指標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立起結(jié)構(gòu)表層粗糙度的計(jì)算公式；然后，根據(jù)砂紙規(guī)格與結(jié)構(gòu)表層粗糙度之間的定量關(guān)系，采用不同規(guī)格砂紙模擬混凝土樁-黏土界面處結(jié)構(gòu)物與土體接觸表層的粗糙度變化，開(kāi)展混凝土樁-黏土接觸界面剪切試驗(yàn)研究，定量分析結(jié)構(gòu)表層粗糙度對(duì)樁-土界面剪切特性的影響及其規(guī)律，為樁-土界面力學(xué)特性和試驗(yàn)研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)表層粗糙度的確定

灌砂法、針觸法和粗糙度測(cè)定儀法是土木工程中3 種常用的測(cè)定混凝土結(jié)構(gòu)表層粗糙度的方法[19]，其本質(zhì)是采用物體表面基準(zhǔn)面以上凸部分的體積或者面積與其基準(zhǔn)面面積或長(zhǎng)度的比值求得物體的表面粗糙度。因此，本文采用文獻(xiàn)[20]中SJ-410 型號(hào)的粗糙度測(cè)量?jī)x，對(duì)不同規(guī)格的砂紙進(jìn)行測(cè)量，獲得了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)物表層粗糙度指標(biāo)Pa(原始輪廓算術(shù)平均值)，如表1所示。

表1 砂紙表面粗糙度指標(biāo)Table 1 Index of surface roughness of sandpaper

鑒于砂紙規(guī)格N與粗糙度指標(biāo)數(shù)值相差較大，函數(shù)關(guān)系不明顯，故先將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)化處理，然后采用最小二乘法對(duì)砂紙規(guī)格與結(jié)構(gòu)表層粗糙度指標(biāo)Pa的關(guān)系進(jìn)行擬合，可獲得圖1所示的關(guān)系曲線(xiàn)，曲線(xiàn)擬合系數(shù)R2大于0.98，相關(guān)性較好。由此，可建立砂紙規(guī)格N與結(jié)構(gòu)表層粗糙度指標(biāo)Pa的指數(shù)化擬合公式：

式中：lnPa為結(jié)構(gòu)表層粗糙度指標(biāo)的對(duì)數(shù)，μm；lnN為砂紙規(guī)格的對(duì)數(shù)；A和B為常數(shù)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)表層粗糙度指標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)擬合得到，本文分別取值為29.117和-1.356。

從圖1可知：結(jié)構(gòu)表層粗糙度隨著砂紙規(guī)格的增大而近似成指數(shù)函數(shù)衰減，當(dāng)砂紙規(guī)格為100時(shí)，由式(1)換算得到粗糙度指標(biāo)Pa為39.29 μm 與表1中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差4.31%；同時(shí)砂紙規(guī)格與粗糙度的關(guān)系曲線(xiàn)符合砂紙規(guī)格愈大，粗糙度越小的規(guī)律，本文擬合的經(jīng)驗(yàn)公式是合理可行的。

圖1 砂紙規(guī)格與粗糙度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 Relation curve of sandpaper mesh number and roughness

因此，由施工控制條件、氣候等其他因素在混凝土樁基、擋土墻等結(jié)構(gòu)表層形成的粗糙度，可通過(guò)本文建立的指數(shù)化擬合公式，與砂紙規(guī)格建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，以此表征結(jié)構(gòu)表層的粗糙度，采用不同規(guī)格的砂紙即可模擬出混凝土結(jié)構(gòu)物表層粗糙度的變化，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表層粗糙度的定量換算，為開(kāi)展考慮結(jié)構(gòu)物表層粗糙度的相關(guān)試驗(yàn)?zāi)M和研究提供了有益的參考。

2 混凝土-黏土接觸面直剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用ZJ 型應(yīng)變控制式直剪儀，該剪切儀上、下剪切盒尺寸相同，其內(nèi)部可容納橫截面積為30 cm2，高為1 cm 的試樣。該儀器通過(guò)驅(qū)動(dòng)下剪切盒產(chǎn)生水平位移進(jìn)行剪切，可以在不同垂直壓力荷載(50，100，200，300和400 kPa)下施加剪切力同時(shí)剪切4個(gè)土樣。通過(guò)顯示屏中讀出剪切位移值，同時(shí)利用電測(cè)百分表測(cè)得量力環(huán)變形，根據(jù)量力環(huán)系數(shù)，可以求出水平剪應(yīng)力。該儀器試驗(yàn)效率高，易于控制。

2.2 試驗(yàn)材料及方案

土體材料為長(zhǎng)沙地區(qū)某單位宿舍樓基坑土，通過(guò)土工試驗(yàn)測(cè)得該黏土物理性質(zhì)如表2所示。為避免土樣離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成不良影響，本試驗(yàn)采用重塑土樣，參照標(biāo)準(zhǔn)[21]配置，將經(jīng)過(guò)烘干、粉碎、過(guò)2 mm篩等程序得到的干燥土樣，按含水率為24%配置好后，放置1～2 d，以保證水分均勻。利用實(shí)驗(yàn)室與直剪儀上下盒半徑相同的環(huán)刀制作圓柱狀土樣，同時(shí)為了避免試樣密實(shí)度的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生不利影響，因此，對(duì)土樣進(jìn)行分層擊實(shí)，每次擊實(shí)次數(shù)相同。

表2 黏土物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanics parameters of clay

鑒于混凝土樁-黏土接觸面的微觀(guān)尺寸特性，若采用大比例或足尺樁基進(jìn)行模擬，接觸面處的荷載施加或數(shù)據(jù)采集難以保證質(zhì)量，且考慮到試驗(yàn)過(guò)程中混凝土試樣主要承受壓應(yīng)力，因此采用與混凝土抗壓性能較接近的標(biāo)準(zhǔn)透水石試件模擬混凝土樁。

本次試驗(yàn)采用規(guī)格為120，320 和600 的砂紙，通過(guò)式(1)實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸面表層的粗糙度模擬和量化，分別模擬粗糙度Pa為10.46，14.90和32.43 μm時(shí)混凝土樁-黏土界面的接觸面表層粗糙度。試驗(yàn)時(shí)為避免透水石與砂紙之間產(chǎn)生剪切滑移，采用氰基強(qiáng)力膠將砂紙黏結(jié)在透水石一側(cè)，然后將土樣和透水石分別置于直剪儀的上盒和下盒，上盒固定不動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)下盒形成剪切，剪切速率為0.8 mm/min，如圖2所示。本試驗(yàn)根據(jù)表層粗糙度的不同分為3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)包含100，200和300 kPa 這3 個(gè)工況，每個(gè)工況剪切3 個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值。

圖2 試件及加載示意圖Fig.2 Test piece and loading diagram

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)

接觸面粗糙度Pa分別為10.46，14.90 和32.43 μm 時(shí)，不同法向應(yīng)力下，混凝土樁-黏土接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)如圖3所示。

從圖3可知：1)在相同粗糙度條件下，接觸面剪切強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力增大而增大。當(dāng)粗糙度為32.43 μm時(shí)，對(duì)于法向應(yīng)力為100，200 和300 kPa時(shí)的接觸面抗剪強(qiáng)度分別為69.48，109.28 和143.20 kPa。2)在相同粗糙度條件下，接觸面極限剪切位移值隨著法向應(yīng)力的增大而增大，但變化幅度不大，在0.3～0.4 mm 之間。3)在不同法向應(yīng)力下，接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)變化趨勢(shì)一致。但法向應(yīng)力達(dá)到300 kPa 時(shí)，在剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，剪應(yīng)力并未趨近于定值，而具有一定的斜率。該現(xiàn)象表明，當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到一定界限時(shí)，混凝土樁-黏土接觸面處發(fā)生剪切破壞后，土體本身仍繼續(xù)發(fā)生小幅度剪切變形，呈現(xiàn)出典型的彈塑性變形。

當(dāng)法向應(yīng)力σn分別為100，200 和300 kPa 時(shí)，不同粗糙度接觸面的混凝土樁-黏土接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)如圖4所示。

從圖4可知：1)接觸面抗剪強(qiáng)度峰值隨著粗糙度的增大而增大，同時(shí)伴隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，例如：粗糙度為32.43 μm 時(shí)與14.90 μm 時(shí)相比，在法向應(yīng)力為100，200和300 kPa時(shí)，接觸面抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度依次減少為16.85%，15.95%和9.96%。2)在相同法向應(yīng)力條件下，接觸面極限位移值隨著粗糙度的增大而增大。3)不同粗糙度的接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)均存在一個(gè)基本重合段，但隨著剪切位移的增大而逐漸分化出去。這可能是由于試件表面凹凸幾何尺寸與黏土顆粒較為接近，初始狀態(tài)下黏土顆粒與接觸面咬合充分，接觸面抗滑移摩擦強(qiáng)度大于土體內(nèi)部剪切應(yīng)力，此時(shí)剪切位移主要為接觸面附近土體內(nèi)部的剪切變形，而混凝土樁-黏土接觸面之間相對(duì)剪切位移很小，也間接表明接觸面具有一定厚度；當(dāng)剪切應(yīng)力逐漸增大并超過(guò)接觸面抗滑移摩擦強(qiáng)度后，接觸面產(chǎn)生相對(duì)剪切位移，此時(shí)剪切變形主要為接觸面剪切滑移產(chǎn)生的位移。

圖3 不同法向應(yīng)力下剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)Fig.3 Shear stress-shear displacement curves under different normal stresses

圖4 不同粗糙度下剪切應(yīng)力-剪切位移曲線(xiàn)Fig.4 Shear stress-shear displacement curve under different roughnesses

3.2 接觸面抗剪強(qiáng)度

當(dāng)法向應(yīng)力分別為100，200和300 kPa時(shí)，不同粗糙度條件下混凝土樁-黏土接觸面抗剪強(qiáng)度如表3所示。

基于表3的試驗(yàn)結(jié)果，采用最小二乘法擬合得到接觸面抗剪強(qiáng)度與粗糙度的關(guān)系如圖5所示。擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.93，擬合度較高，接觸面表層粗糙度與抗剪強(qiáng)度的擬合方程可表示為

式中：τp為接觸面抗剪強(qiáng)度，kPa；Pa為接觸面表層粗糙度，μm；C和D為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸獲取。

表3 不同粗糙度下接觸面抗剪強(qiáng)度Table 3 Shear strength of interface with different roughnesses

圖5 抗剪強(qiáng)度與粗糙度的關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength and roughness

由圖5可知：同一法向應(yīng)力下，接觸面抗剪強(qiáng)度隨著粗糙度的增大而近似冪函數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，且擬合函數(shù)的指數(shù)C都是大于0 且小于1 的數(shù)。表明接觸面抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率隨粗糙度的增大而減小，粗糙度存在臨界值，當(dāng)粗糙度達(dá)到臨界值后，抗剪強(qiáng)度不再隨著粗糙度的增加而顯著增大，而是趨近于定值。

3.3 接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)

文獻(xiàn)[9,14]研究表明：混凝土樁-黏土接觸面抗剪強(qiáng)度服從莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，可以使用黏聚力c和內(nèi)摩擦角?表示。因此，基于最小二乘法對(duì)不同粗糙度下接觸面剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力進(jìn)行線(xiàn)性擬合，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同粗糙度的接觸面抗剪強(qiáng)度Fig.6 Shear strength of interface with different roughnesses

由圖6可知：同一粗糙度條件下，接觸面抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力增大而增大，二者近似呈線(xiàn)性關(guān)系，擬合的相關(guān)性系數(shù)R2在0.99 以上，因此，本次試驗(yàn)也驗(yàn)證了接觸面時(shí)剪切破壞服從莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。線(xiàn)性擬合得到不同粗糙度下接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)，如表4所示。

表4 接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 4 Shear strength parameters of interface

由表4可知：黏聚力與內(nèi)摩擦均隨著接觸面粗糙度的增大而增大，但均小于黏性土自身力學(xué)參數(shù)。結(jié)合圖4的分析結(jié)果可知：在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，剪切破壞為混凝土樁-黏土接觸面間的剪切滑移破壞。

4 結(jié)論

1)基于指數(shù)化擬合公式對(duì)接觸面表層粗糙度進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)表層粗糙度的定量換算，為開(kāi)展考慮結(jié)構(gòu)物表層粗糙度的相關(guān)試驗(yàn)?zāi)M和研究提供了有益的參考。

2)接觸面抗剪強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力增加而呈線(xiàn)性關(guān)系增大，符合莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，且在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，混凝土樁-黏土接觸面的剪切破壞形式表現(xiàn)為接觸面滑移破壞。

3)混凝土樁-黏土接觸面處的剪切破壞過(guò)程可分為“土體彈性剪切變形—接觸面剪切滑移—土體彈塑性剪切變形”3個(gè)階段，即：初期剪切變形主要表現(xiàn)為接觸面厚度范圍內(nèi)的土體內(nèi)部剪切變形；當(dāng)剪切應(yīng)力逐漸增大并超過(guò)接觸面抗滑移摩擦強(qiáng)度后，剪切變形主要為接觸面產(chǎn)生相對(duì)剪切位移和滑動(dòng)；當(dāng)法向應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，接觸面剪切破壞后土體自身繼續(xù)產(chǎn)生小幅度剪切變形，表現(xiàn)出典型的彈塑性變形。

4)接觸面抗剪強(qiáng)度隨粗糙度的增加而呈冪函數(shù)關(guān)系增大，但隨著法向應(yīng)力的增大，粗糙度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，即粗糙度存在臨界值。

5)本文采用不同規(guī)格砂紙來(lái)模擬不同粗糙度的樁表面，并未考慮接觸面的剪切剛度與樁身混凝土剪切剛度的不同，下一步將開(kāi)展剪切剛度的差異性對(duì)于界面特性的研究。