不同初始干密度黃土與混凝土接觸面直剪試驗

張 磊, 劉 慧, 王鐵行

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055；3.貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州 貴陽 550012；4.貴州省巖溶地基工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550012)

土與結(jié)構(gòu)物相互作用在樁、堆石壩、擋土墻、地下連續(xù)墻等工程中廣泛存在，而接觸面剪切特性一直是兩者相互作用研究的核心問題[1]．國內(nèi)外眾多學者開展了大量的土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切試驗，分析了土樣含水率[2]、剪切路徑[3]、泥皮[4]、土體顆粒級配[5]、接觸面粗糙度[6]、灌漿壓力[7]等因素對接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系、抗剪強度等的影響，并提出了接觸面本構(gòu)模型[8]．楊慶光等[9]利用自制的錨固體-土接觸面剪切裝置，開展了紅黏土-錨固體接觸面剪切試驗，發(fā)現(xiàn)土體壓實度對接觸面剪應(yīng)力影響顯著．趙春風等[10-11]開展了考慮卸荷效應(yīng)的砂土和黏土與混凝土接觸面直剪試驗，發(fā)現(xiàn)前期固結(jié)壓力改變了土樣密實度，導(dǎo)致法向應(yīng)力相同而前期固結(jié)壓力不同時接觸面剪切性狀明顯不同．曹衛(wèi)平等[12-13]開展了密砂和松砂與混凝土接觸面大型直剪試驗，發(fā)現(xiàn)密砂與混凝土接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系表現(xiàn)為軟化，并發(fā)生剪脹；松砂與混凝土接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系表現(xiàn)為硬化，并發(fā)生剪縮．此外，陸勇等[14]通過對粗粒土與結(jié)構(gòu)物接觸面作用機理的研究，認為接觸面硬化和軟化規(guī)律以及剪脹和剪縮特性由土體孔隙比、所受壓力、結(jié)構(gòu)面粗糙度等共同決定；干飛等[15]還通過對紅黏土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切漸進破壞規(guī)律的研究，發(fā)現(xiàn)土體壓實度和法向應(yīng)力對其漸進破壞有顯著影響．可見，土體干密度對土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切性狀影響顯著，而相關(guān)研究目前主要集中在砂土和黏土．

黃土以粉粒為主，其物理力學性質(zhì)與砂土、黏土等明顯不同．另外我國黃土地區(qū)丘陵溝壑分布廣泛[16]，城市建設(shè)過程中平山填溝是獲取平整地基的重要手段[17]，而土體干密度是評價填土工程性質(zhì)的重要指標[18]．一些學者通過剪切試驗分析了土樣含水率[19]、固結(jié)條件[20]等對黃土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切性狀的影響，但目前尚無考慮土樣初始干密度影響的黃土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切試驗研究．本文利用大型直剪儀開展了黃土與混凝土接觸面剪切試驗，分析了土樣初始干密度、法向應(yīng)力等因素對接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系、剪切強度、體變規(guī)律等的影響，為黃土填方地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)計計算提供試驗依據(jù)．

1 試驗儀器及方案

1.1 試驗設(shè)備

直剪儀操作方便、控制條件明確，在土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切試驗中應(yīng)用廣泛．如圖1所示，本文試驗采用美國Geocomp公司生產(chǎn)的Shear Trac-Ⅲ型直剪儀．該直剪儀可提供高達930.25 cm2的接觸面積，能有效減小尺寸效應(yīng)和邊界效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響，且下剪切盒比上剪切盒長100 mm，剪切過程中接觸面積保持不變．試驗過程中法向荷載施加、剪切、數(shù)據(jù)采集等均由電腦軟件控制，從而有效避免人為操作產(chǎn)生的誤差．

1.2 試樣制備

試驗用土為上更新統(tǒng)風積黃土，呈褐黃色．土顆粒相對密度為2.72，塑限為18.0%，液限為33.1%，塑性指數(shù)為15.1，擊實試驗所得最大干密度為1.79 g/cm3，最優(yōu)含水率為16%．為模擬實際填方情況，使用重塑土樣進行試驗．參照標準[21]，將風干、碾散的土過2 mm篩，按含水率16%配置土樣，密封后靜置24 h以上以使水分擴散均勻．裝樣時將土樣放入上剪切盒內(nèi)分3層擊實，通過控制每層土的厚度和質(zhì)量控制土樣干密度，并在每次擊實后對土樣表面進行刮毛，以保證土樣的整體性，如圖2(a)所示．混凝土塊使用與下剪切盒同尺寸的模板澆筑，強度等級為C30，表面進行人工抹平，養(yǎng)護28 d后拆模，得到混凝土表面如圖2(b)所示，其最大峰谷距<0.2 mm[22]．

圖1 大型界面直剪儀Fig.1 A large direct shear apparatus

圖2 試樣制備 Fig.2 Sample preparation

1.3 試驗步驟

填方工程中，土體壓實度受填筑方法和施工質(zhì)量影響較大．孔洋等[16]測得延安新區(qū)某黃土高填方場地實測壓實度為(70±5)%，因此選取土體初始干密度為1.34 g/cm3、1.52 g/cm3和1.70 g/cm3，對應(yīng)壓實度分別為75%、85%和95%．

首先把混凝土塊放入下剪切盒，并按上述步驟在上剪切盒內(nèi)完成裝樣．在土樣頂面放置浸濕濾紙和透水石，并蓋上承壓板．把上、下剪切盒裝到直剪儀上．施加法向力(法向應(yīng)力分別取為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa)．每隔15 min讀一次法向位移，當兩次讀數(shù)計算出的沉降速率小于0.005 mm/h時，認為試樣固結(jié)穩(wěn)定．拔掉固定上下盒的銷釘，保持上盒不動，以0.8 mm/min的速率移動下盒進行剪切．剪切過程中法向應(yīng)力保持不變，機載軟件自動采集法向位移、剪切力等數(shù)據(jù)．待剪切位移達到40 mm時試驗結(jié)束．每次試驗結(jié)束后用清水沖洗混凝土表面并用毛巾吸水，再用吹風機吹干，以保證每次試驗混凝土表面清潔度一致．

2 試驗結(jié)果比較與分析

2.1 接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

不同法向應(yīng)力下，不同初始干密度的黃土與混凝土接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系如圖3所示．由圖3可見，隨著法向應(yīng)力的增加，土樣初始干密度ρd=1.34 g/cm3和1.52 g/cm3時接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線由弱軟化型逐漸過渡為弱硬化型最后轉(zhuǎn)變?yōu)閺娪不停翗映跏几擅芏圈裠=1.70 g/cm3時接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線基本由弱軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)槿跤不停佑|面剪應(yīng)力及剪應(yīng)力-剪切位移曲線的初始斜率一般隨黃土初始干密度的增加而增大．剪切位移為40 mm且法向應(yīng)力為50 kPa時，當土樣初始干密度從1.34 g/cm3增至1.52 g/cm3再增至1.70 g/cm3，接觸面剪應(yīng)力均明顯增加；法向應(yīng)力為100 kPa時，當土樣初始干密度從1.34 g/cm3增至1.52 g/cm3接觸面剪應(yīng)力變化較小，而當土樣初始干密度從1.52 g/cm3增至1.70 g/cm3接觸面剪應(yīng)力變化仍較為明顯；法向應(yīng)力增至200 kPa、300 kPa和400 kPa時，本文三種黃土初始干密度下的剪應(yīng)力相差很?。S土初始干密度ρd=1.70 g/cm3的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線均存在較為明顯的拐點，在拐點之前曲線斜率很大，拐點之后曲線斜率很小，而初始干密度ρd=1.34 g/cm3和1.52 g/cm3時剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線則表現(xiàn)的較為圓滑．

圖3 接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系Fig.3 Shear stress- shear displacement curves of interface

2.2 接觸面強度特性

本文試驗結(jié)果表明黃土與混凝土接觸面剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系分別呈弱軟化、弱硬化和強硬化三種形式．借鑒已有研究方法[12-13]，統(tǒng)一取剪切位移為20 mm時的剪應(yīng)力作為接觸面抗剪強度τf．圖4為不同法向應(yīng)力下接觸面抗剪強度與土樣初始干密度關(guān)系．由圖4可見，同一法向應(yīng)力下，黃土-混凝土接觸面抗剪強度均隨土樣初始干密度的增加而增大．接觸面法向應(yīng)力為50 kPa和100 kPa時，土樣初始干密度對接觸面抗剪強度影響較小；隨著法向應(yīng)力的增加，土樣初始干密度對接觸面抗剪強度的影響逐漸增大．

為進一步分析土樣初始干密度對接觸面抗剪強度的影響，繪出各土樣初始干密度下接觸面抗剪強度與法向應(yīng)力關(guān)系如圖5所示．由圖5可見，不同土樣初始干密度下接觸面抗剪強度與法向應(yīng)力存在明顯的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.99，也即符合摩爾庫倫準則，從而得接觸面抗剪強度指標如表1所示．由表1可見，隨著土樣初始干密度的增加，接觸面黏聚力先增大后發(fā)生明顯減小，而接觸面內(nèi)摩擦角持續(xù)增大且其變化速率也逐漸增大．

表1 不同接觸面試驗抗剪強度指標

圖4 接觸面抗剪強度與土樣初始干密度關(guān)系Fig.4 Relationship between shear strength of interface and initial dry density of soil

圖5 接觸面抗剪強度與法向應(yīng)力關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength of interface and normal stress

2.3 接觸面體變規(guī)律

不同法向應(yīng)力下，不同初始干密度的黃土與混凝土接觸面體應(yīng)變-剪切位移關(guān)系如圖6所示．本文以體積縮小為正，體積膨脹為負．由圖6可見，隨著土樣初始干密度的減小或法向應(yīng)力的增加，體應(yīng)變增大，黃土與混凝土接觸面體變規(guī)律由剪脹逐漸轉(zhuǎn)化為剪縮．具體為當法向應(yīng)力σn=50 kPa、土樣初始干密度ρd=1.52 g/cm3和1.70 g/cm3時，及法向應(yīng)力σn=100 kPa和200 kPa、土樣初始干密度ρd=1.70 g/cm3時，隨著剪切位移的增加，土體體積先稍有減小，繼而持續(xù)增大并最終比剪切前土體體積大，也即發(fā)生剪脹；其他條件下，隨著剪切位移的增加土樣體積持續(xù)減小，也即發(fā)生剪縮．這是由于土樣初始干密度較大時，土體相對比較密實，試樣在裝樣過程中，為達到所要求的干密度，施加了較大的擊實功．法向應(yīng)力較低時，相當于比土樣歷史上所受到的最大法向應(yīng)力小，剪切時接觸面附近土粒相對位置發(fā)生改變，加大了接觸面附近土顆粒間的孔隙，從而表現(xiàn)為剪脹；法向應(yīng)力較高時，由受剪過程中土粒相互錯動產(chǎn)生的向上抵力不足以突破法向應(yīng)力的束縛，故表現(xiàn)為剪縮．而對于土樣初始干密度較小的情況，土體較為松散，剪切過程中剪切面附近土顆粒位置移動填充了顆粒間及土體與混凝土面間的空隙，故表現(xiàn)為剪縮．

圖6 接觸面體應(yīng)變-剪切位移曲線Fig.6 Volumetric strain-shear displacement curves of interface

3 結(jié)論

本文開展了黃土與混凝土接觸面大型直剪試驗，分析了土樣初始干密度、法向應(yīng)力等因素對接觸面剪切性狀的影響．所得主要結(jié)論如下：

(1)隨著法向應(yīng)力的增加，不同土樣初始干密度下接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線由弱軟化型逐漸過渡為弱硬化型，最后轉(zhuǎn)變?yōu)閺娪不停?/p>

(2)隨著土樣初始干密度的增加，接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線的初始斜率增大，抗剪強度增大，粘聚力先增大再減小，內(nèi)摩擦角持續(xù)增大．且隨著法向應(yīng)力的增加，土樣初始干密度對接觸面抗剪強度的影響增大．

(3)隨著土樣初始干密度的減小或法向應(yīng)力的增加，體應(yīng)變增大，黃土與混凝土接觸面由剪脹逐漸轉(zhuǎn)化為剪縮．