凍結(jié)條件下硫酸鹽漬土與混凝土接觸面力學(xué)特性試驗(yàn)研究

秦 虎 賈劍青 李科技 馬 亢

(1. 河西學(xué)院 土木工程學(xué)院， 甘肅 張掖 734000； 2. 蘭州交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 蘭州 730070)

鹽漬土是一種易溶鹽含量大于0.3%，并具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性的特殊土[1]．鹽漬土在河西地區(qū)的酒泉、張掖、武威地區(qū)的沖積平原低洼地帶廣泛分布，其中大面積分布在季節(jié)凍土區(qū)．近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略、城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略和“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，高等級(jí)公路、高速鐵路、大型飛機(jī)場、大型水利等工程在河西地區(qū)建造和運(yùn)營，鹽漬土與結(jié)構(gòu)物相互作用的問題經(jīng)常遇到，如大型管樁的壓入、沉井基礎(chǔ)的下沉等，而結(jié)構(gòu)物與土體的摩擦和黏結(jié)能力與土體與土體的接觸是不同的[2]．

接觸面力學(xué)特性的研究對(duì)于正確分析土與結(jié)構(gòu)體的各自變形及評(píng)價(jià)土與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義[3]，Zhao Lianzhen等[4]利用大型多功能直剪儀，研究了4種恒定法向應(yīng)力和4種負(fù)溫下人工凍土-結(jié)構(gòu)界面的循環(huán)直剪特性；Shi Quanbin等[5]為了探討凍結(jié)細(xì)砂與結(jié)構(gòu)物接觸面凍結(jié)強(qiáng)度的機(jī)理，采用直剪儀進(jìn)行了一系列試驗(yàn);石泉彬等[6-7]為探究凍土與結(jié)構(gòu)接觸面凍結(jié)強(qiáng)度影響因素及其影響規(guī)律，依據(jù)接觸面凍結(jié)強(qiáng)度傳統(tǒng)定義，應(yīng)用壓樁法原理研制凍土與結(jié)構(gòu)接觸面凍結(jié)強(qiáng)度測定系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)開展多影響因素條件下接觸面凍結(jié)強(qiáng)度測定試驗(yàn)研究．目前，眾多學(xué)者就土體與工程結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性從室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值計(jì)算等幾方面開展了廣泛的研究并取得了豐碩成果[8-19]，但這些成果主要集中在一般黏性土、粗粒土、膨潤土、砂土、凍結(jié)砂土、高塑性黏土、紅黏土、凍結(jié)粉土、黃土、建筑砂、標(biāo)準(zhǔn)砂、粉土與結(jié)構(gòu)接觸面相互作用方面，而針對(duì)河西地區(qū)廣泛分布的鹽漬土這類特殊土體與工程結(jié)構(gòu)接觸面的研究相對(duì)較少，缺乏相關(guān)理論研究．

土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性和土與結(jié)構(gòu)材料的特性以及所處環(huán)境密切相關(guān)，土體與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性是否受季凍區(qū)鹽漬土環(huán)境的影響，其影響的大小如何，需要進(jìn)行試驗(yàn)研究確定．鑒于此，本文選用河西季節(jié)性凍土區(qū)的硫酸鹽漬土為研究對(duì)象，采用應(yīng)變控制直剪儀開展了凍結(jié)條件下鹽漬土與混凝土接觸面的剪切試驗(yàn)，初步分析和探討了含鹽量對(duì)鹽漬土與混凝土接觸面剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律及影響程度大小，以期為河西季節(jié)凍土區(qū)凍土工程的設(shè)計(jì)提供一些參考．

1 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土料取自甘肅張掖臨澤縣某工程現(xiàn)場的天然鹽漬土，取樣深度為0.5～1 m，密封包裝后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室對(duì)天然鹽漬土進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)測定，測定結(jié)果為易溶鹽中陽離子以Na+、K+為主，陰離子以SO42-、Cl-為主，Cl-/SO42-<0.3，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB500021—2001)的含鹽量分類規(guī)定，確定研究區(qū)域內(nèi)的鹽漬土類型主要為硫酸鹽漬土，天然鹽漬土的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1．混凝土試樣采用普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、標(biāo)準(zhǔn)砂和抗凍劑，按配合比(表2)攪拌制成，并養(yǎng)護(hù)28 d后取用，標(biāo)準(zhǔn)砂的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示．

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 混凝土配合比 (單位：kg/m3)

圖1 標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級(jí)配曲線

1.2 試樣制備

河西地區(qū)環(huán)境的不同使得所取天然鹽漬土的易溶鹽含量有所不同，現(xiàn)場取樣測試結(jié)果表明，天然鹽漬土的易溶鹽含量在0.27%～3.06%之間，為了更好的定量分析含鹽量對(duì)鹽漬土與混凝土接觸面剪切強(qiáng)度的影響規(guī)律及影響程度大小，將試樣的制備分3個(gè)步驟完成．

第1步為鹽漬土試樣的制備．將采集的天然鹽漬土進(jìn)行全脫鹽處理使之成為素土，然后風(fēng)干碾碎過2 mm篩，采用Na2SO4質(zhì)量百分比0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%制備相應(yīng)濃度的鹽溶液與素土攪拌，按設(shè)定的含鹽量制備初始含水率分別為11%、13%、15%、17%的土樣放入保鮮袋中密封悶料48 h，為避免土體中鹽分的不均勻分布，制備鹽溶液時(shí)采取了加熱處理的方式．本試驗(yàn)中土體含鹽量的設(shè)定，充分考慮了河西地區(qū)土體含鹽量的變化范圍，以及土體鹽漬化程度進(jìn)一步加劇的變化規(guī)律．

第2步為混凝土試塊的制備．使用甘肅山丹水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，用環(huán)刀制備直徑61.8 mm，高度為10 mm，強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土試塊(為保持所有試樣條件的一致性，全部試驗(yàn)均采用巖石磨面機(jī)按相同操作及步驟對(duì)表面進(jìn)行了統(tǒng)一光滑處理，保證試驗(yàn)表面光滑平整，肉眼下未見混凝土缺陷、裂縫及顆粒起伏，粗糙度低)，為了避免鹽漬土試樣和混凝土試塊接觸時(shí)水分流失，將制作好的混凝土試塊飽和處理．

第3步為鹽漬土與混凝土組合試樣的制備．為使鹽漬土與混凝土充分接觸，將飽和處理的混凝土試塊放入制樣器下部，然后按照設(shè)計(jì)指標(biāo)稱取相應(yīng)重量的土料，控制土體的壓實(shí)度為80%、85%、90%、95%，然后采用靜力壓實(shí)法將鹽漬土和飽和處理的混凝土試塊一次成型制備成直徑為61.8 mm、高度為20 mm的鹽漬土與混凝土整體試樣，確保其初始力學(xué)性質(zhì)相同，如圖2所示．制樣的過程嚴(yán)格控制了接觸面水平，確保了剪切發(fā)生在鹽漬土與混凝土接觸面上，最后將鹽漬土與混凝土組合的整體試樣放入低溫冷凍箱，在-15℃環(huán)境下凍結(jié)12 h后取出進(jìn)行直剪試驗(yàn)．

圖2 鹽漬土與混凝土組合試件

1.3 試驗(yàn)方法

目前，用于土與結(jié)構(gòu)面接觸特性研究的設(shè)備主要有直剪儀、單剪儀、環(huán)剪儀及大型直剪儀等．由于大型直剪儀一般對(duì)于現(xiàn)場粗顆粒土試驗(yàn)使用較多，故對(duì)于小試樣土工試驗(yàn)往往采用直剪儀，本文試樣尺寸較小，所以采用直剪儀即可滿足要求．雖然直剪儀有其固有缺陷，但是由于其構(gòu)造簡單且土樣制備相對(duì)容易，經(jīng)常被用于進(jìn)行界面研究[20]．本文剪切強(qiáng)度試驗(yàn)參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—1999)進(jìn)行，設(shè)備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ應(yīng)變控制式直剪儀和低溫冷凍試驗(yàn)箱，量力環(huán)測量精度為0.01 mm，溫度控制精度為±0.5℃．試驗(yàn)法向應(yīng)力分別為100、200、300、400 kPa，為保障試驗(yàn)在凍結(jié)條件下進(jìn)行，將冷凍處理后的鹽漬土與混凝土組合試樣迅速置于直剪儀上施加所需法向應(yīng)力，控制剪切速度0.8 mm/min進(jìn)行快剪試驗(yàn)，以獲得凍結(jié)條件下鹽漬土與混凝土接觸面的剪切強(qiáng)度．為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)試驗(yàn)條件下進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，取最相近的兩組平均值作為最終結(jié)果，試樣的剪切強(qiáng)度取剪切應(yīng)力-位移曲線的峰值點(diǎn)或者取剪切位移6 mm所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度．

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系

本文通過對(duì)比分析鹽漬土自身(為了研究方便，約定土體自身內(nèi)部的剪切面稱為土體內(nèi)部接觸界面[16])以及鹽漬土-混凝土接觸面的剪切特性，來確定鹽漬土-混凝土接觸面之間的力學(xué)行為．圖3為凍結(jié)條件下鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的接觸面剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線．受篇幅限制，文中僅給出了法向應(yīng)力分別為100、200、300、400 kPa，壓實(shí)度為85%，鹽漬土含鹽量為0.0%(無鹽土)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%，剪切后實(shí)測土體含水率為13.5%的剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖3所示．

圖3 剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

由圖3可知，在凍結(jié)條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線整體呈非線性變化，在試驗(yàn)的初始階段剪切應(yīng)力增長較快，表現(xiàn)在剪切應(yīng)力-剪切位移曲線上即曲線較陡，且接觸面達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力越大，說明接觸面的剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力密切相關(guān)，接觸面破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的法向應(yīng)力越大，剪切強(qiáng)度越高．可以認(rèn)為，法向應(yīng)力一方面使土體本身越密實(shí)，另一方面使土顆粒嵌入混凝土凹凸表面，使得界面剪切強(qiáng)度大大提高．

接觸材料類型不同，使得剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線表現(xiàn)明顯不同．在對(duì)圖3試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切特征表現(xiàn)存在明顯的區(qū)別．剪切過程中鹽漬土體自身在發(fā)生屈服后，剪切應(yīng)力隨著剪切位移的增加基本趨于穩(wěn)定，直到試驗(yàn)結(jié)束也不存在明顯的應(yīng)力峰值，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化特征，這主要是由于土粒的破碎隨剪切位移的增大而增多，孔隙比逐步減小，密度增大，因此剪切強(qiáng)度提高．

鹽漬土與混凝土組合體試樣在達(dá)到剪切破壞前接觸面始終保持著膠結(jié)狀態(tài)，剪應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度時(shí)試樣突然破壞，剪切應(yīng)力-剪切位移表現(xiàn)為脆性破壞特征，存在明顯的峰值應(yīng)力，可能是在水平推力的作用下，當(dāng)剪切應(yīng)力達(dá)到鹽漬土與混凝土接觸面剪切強(qiáng)度時(shí)，接觸面間的膠結(jié)狀態(tài)突然發(fā)生破壞，鹽漬土相對(duì)混凝土突然滑動(dòng)，使得接觸面強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，在實(shí)驗(yàn)過程中也能觀察到測力計(jì)指針明顯倒退甚至歸零現(xiàn)象．而鹽漬土自身剪切破壞后，上下剪切盒中的土體又會(huì)產(chǎn)生再膠結(jié)，在剪應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度后繼續(xù)產(chǎn)生黏滑，土體表現(xiàn)為較強(qiáng)的塑形變形能力．這種現(xiàn)象也說明在低溫條件下鹽分在土中的相態(tài)變化直接影響鹽漬土的力學(xué)特性，進(jìn)而影響鹽漬土與混凝土接觸面的力學(xué)特性．在相同條件下，與鹽漬土的剪切相比，鹽漬土與混凝土接觸面的剪應(yīng)力到達(dá)剪切強(qiáng)度時(shí)所需的位移較小，這種現(xiàn)象在各級(jí)法向應(yīng)力下均表現(xiàn)得較為明顯．

2.2 剪切強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系

通過試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，鹽漬土自身剪切試驗(yàn)時(shí)接觸面的破壞發(fā)生在土體中，試驗(yàn)測得的是鹽漬土的剪切強(qiáng)度指標(biāo)；鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切破壞發(fā)生在土與結(jié)構(gòu)的接觸界面上，試驗(yàn)測得的是鹽漬土與混凝土接觸面的剪切強(qiáng)度指標(biāo)．以法向應(yīng)力為橫坐標(biāo)，剪切強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制凍結(jié)條件下，土體壓實(shí)度85%，含水率13.5%、鹽漬土含鹽量為0.0%(無鹽土)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的土體自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線，如圖4所示．

圖4 剪切強(qiáng)度-法向應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖4可知，在各級(jí)法向應(yīng)力作用下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切強(qiáng)度-法向應(yīng)力曲線的變化規(guī)律是相似的，剪切強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增大而增大，但鹽漬土與混凝土組合試樣界面的剪切強(qiáng)度低于鹽漬土自身的剪切強(qiáng)度，說明界面處比土體更容易發(fā)生破壞．這主要?dú)w因于鹽漬土的破壞是土顆粒自身的剪切破壞，屬于土體材料的結(jié)構(gòu)性破壞，鹽漬土與混凝土組合試樣在界面的破壞屬于滑移型破壞，屬于弱面破壞，兩者具有本質(zhì)差異，由于本次研究混凝土界面均作了光滑處理，這對(duì)于實(shí)際工程中統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下生產(chǎn)的預(yù)制樁與土界面比較適合，對(duì)于現(xiàn)澆混凝土工程不一定適合．

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，本文選用線性關(guān)系描述凍結(jié)條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系如下式：

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ為鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣接觸面抗剪強(qiáng)度(kPa)；c為接觸面黏聚力(kPa)；σ為法向荷載(kPa)；φ為接觸面內(nèi)摩擦角(°)．

式(1)說明鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣強(qiáng)度準(zhǔn)則均符合莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則．

表3為不同法向應(yīng)力條件下鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣接觸界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)．

表3 各界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

從表3可以看出，在凍結(jié)條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土接觸面間的內(nèi)摩擦角均隨著土體含鹽量的增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，變化范圍不大，鹽漬土的內(nèi)摩擦角變化范圍在28.14°～33°之間，鹽漬土與混凝土接觸面的內(nèi)摩擦角變化范圍在27.63°～30.69°之間，而鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土接觸面的黏聚力隨著土體含鹽量的增大表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢，且變化范圍較大，鹽漬土在27.56～54.81 kPa間變化，接觸面在18.88～46.99 kPa間變化，說明在凍結(jié)條件下，土體含鹽量對(duì)鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土接觸面剪切強(qiáng)度指標(biāo)均有影響，且對(duì)黏聚力的影響大于內(nèi)摩擦角的影響．另一方面也說明鹽漬土與混凝土接觸面間的黏聚力和內(nèi)摩擦角是由鹽漬土、結(jié)構(gòu)共同控制的，而不僅僅取決于鹽漬土體或結(jié)構(gòu)本身．

從表3還可以看出，凍結(jié)條件下鹽漬土自身的黏聚力和內(nèi)摩擦角均大于鹽漬土與混凝土接觸面的黏聚力和內(nèi)摩擦角，說明鹽漬土與混凝土接觸面間的剪切強(qiáng)度是由鹽漬土中的冰晶和接觸面間的膠結(jié)力以及土體與接觸面間的內(nèi)摩擦角和黏聚力共同決定，而膠結(jié)力的存在弱化了鹽漬土與接觸面間內(nèi)摩擦角和黏聚力對(duì)接觸面剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，在剪切試驗(yàn)結(jié)束后，混凝土表面光滑且殘留肉眼可見的冰晶可以驗(yàn)證這一點(diǎn)．

在土與結(jié)構(gòu)的相互作用研究中，龔輝，趙春風(fēng)，陶幗雄，等[19]運(yùn)用了量綱一的界面摩擦有效系數(shù)E和黏聚有效系數(shù)C來表征界面抗剪強(qiáng)度，如式(2)、(3)所示．

(2)

(3)

式中：tanδ，tanφ分別為界面和土體摩擦因素；Ca，C分別為界面和土體的黏聚力．

圖5為界面摩擦有效系數(shù)、界面黏聚有效系數(shù)與土體含鹽量關(guān)系曲線．

圖5 界面摩擦、黏聚有效系數(shù)與含鹽量關(guān)系曲線

由圖5可知，界面摩擦有效系數(shù)和黏聚有效系數(shù)與土體含鹽量的變化趨勢相似，均隨含鹽量增大而降低，界面黏聚有效系數(shù)隨含鹽量的增大近線性下降，含鹽量3%時(shí)降幅達(dá)到了38.4%，而界面摩擦有效系數(shù)減小降幅不大，不同含鹽量的界面摩擦有效系數(shù)均在1左右，說明土體含鹽量對(duì)界面黏聚有效系數(shù)的影響比界面摩擦有效系數(shù)的影響大．

3 結(jié) 論

通過凍結(jié)條件下(-15℃)鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的室內(nèi)剪切對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

1)凍結(jié)條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切特征存在明顯的區(qū)別，鹽漬土的剪切應(yīng)力-剪切位移曲線呈應(yīng)變硬化特征，而鹽漬土與混凝土組合試樣的剪切應(yīng)力-剪切位移表現(xiàn)為脆性破壞特征；

2)凍結(jié)條件下，鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土組合試樣強(qiáng)度準(zhǔn)則均符合莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則；

3)凍結(jié)條件下，土體含鹽量對(duì)鹽漬土自身、鹽漬土與混凝土接觸面剪切強(qiáng)度指標(biāo)均有影響，且對(duì)黏聚力的影響大于內(nèi)摩擦角的影響，鹽漬土與混凝土接觸面間的黏聚力和內(nèi)摩擦角是由鹽漬土、結(jié)構(gòu)共同控制的，而不僅僅取決于鹽漬土或結(jié)構(gòu)本身；

4)界面摩擦有效系數(shù)和黏聚有效系數(shù)與土體含鹽量的變化趨勢相似，均隨含鹽量增大而降低，但含鹽量對(duì)界面黏聚有效系數(shù)的影響比界面摩擦有效系數(shù)的影響大．

需要說明的是，以上結(jié)果僅根據(jù)本次試驗(yàn)得出，對(duì)于其他土體與混凝土的接觸面是否適用，還有待進(jìn)行深入研究．