黏土-水泥土接觸面剪切特性試驗(yàn)研究

徐 方，陳 樂，趙春彥，葉新宇*，郎 鋒，冷伍明

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075；2.重慶路威土木工程設(shè)計(jì)有限公司，重慶400060)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，效益顯著的高速和重載鐵路已成為中國鐵路交通運(yùn)輸發(fā)展的必然方向。由于高速列車運(yùn)行速度和重載列車軸重及編組長度的持續(xù)增加，不可避免地加劇了路基內(nèi)的靜動力響應(yīng)，致使路基病害頻次及程度呈現(xiàn)逐年上漲的趨勢，嚴(yán)重影響線路的正常運(yùn)營。斜向水泥土樁作為一種新型的路堤快速加固技術(shù)，以其經(jīng)濟(jì)性好、安全性高、適用性強(qiáng)、無需中斷行車等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于各類路基加固和病害整治工程[1-2]。此外，水泥土樁、墻等作為地基處理的有效方法，在軟土地基工程領(lǐng)域亦保持著持續(xù)且廣泛的應(yīng)用[3-4]。

土與結(jié)構(gòu)物的相互作用問題，是巖土工程領(lǐng)域中的重要研究內(nèi)容[5-7]。眾多學(xué)者就土與結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切特性開展了較為深入的研究。Di Donn[8]、金子豪[9]等開展了土與結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物表面粗糙度對接觸面的剪切強(qiáng)度影響顯著。陸勇等[10]指出土與結(jié)構(gòu)物接觸面存在臨界粗糙度，粗糙度達(dá)到臨界值后，接觸面剪切強(qiáng)度隨粗糙度的增大不再變化。Chen[11]、石熊[12]等基于紅黏土與混凝土接觸面的直剪試驗(yàn)，分析了不同粗糙度與法向應(yīng)力下接觸面強(qiáng)度與變形的發(fā)展規(guī)律。成浩[7]、張嘎[13]、Qian[14]等開展了土與不同結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切試驗(yàn)，指出結(jié)構(gòu)面粗糙度和法向應(yīng)力是影響接觸面力學(xué)特性的主要因素。張明義[15]、陳俊樺[16]等進(jìn)行了黏性土與混凝土接觸面的直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明粗糙度的增大能顯著提高接觸的剪切強(qiáng)度。胡黎明等[17-18]用不同粗糙度的鋼板代替結(jié)構(gòu)物進(jìn)行了接觸面的力學(xué)特性研究，指出接觸面存在臨界粗糙度，并建立了接觸面的損傷本構(gòu)模型。Jeong[19]、熊彬濤[20]等研究了樁側(cè)表面粗糙度對樁土接觸面剪切特性的影響。

綜上所述，目前關(guān)于土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切特性的研究已取得了較為豐碩的成果，但主要側(cè)重于分析土與混凝土、土與鋼板等的接觸問題，有關(guān)土與水泥土接觸面的研究鮮有報(bào)道。作者通過自制表面粗糙度不同的水泥土試塊來模擬實(shí)際工程中水泥土樁（或墻）側(cè)的粗糙狀態(tài)，開展了不同條件下黏土與水泥土接觸面的剪切試驗(yàn)；同時(shí)，采用土粒示蹤的方法觀察剪切過程中剪切面附近土體的運(yùn)移情況?；诩羟袘?yīng)力、剪切位移、剪切破壞強(qiáng)度等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究粗糙度和法向應(yīng)力對黏土與水泥土接觸面力學(xué)特性及變形機(jī)理的影響，為深入研究黏土與水泥土相互作用機(jī)制和水泥土樁、墻等結(jié)構(gòu)物的承載和變形機(jī)理提供參考依據(jù)。

1 黏土-水泥土接觸面直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土體取自朔黃鐵路某工段的低液限黏土。試驗(yàn)前將原狀黏土烘干后經(jīng)機(jī)械碾壓分散，并過2 mm土工篩；按目標(biāo)含水量20%將過篩后黏土摻水拌和均勻，并放入土樣保濕器；保濕時(shí)間不少于24 h，以保障土體含水量的均一性。水泥為P.C32.5級普通硅酸鹽水 泥。土樣及水泥的物理力學(xué)指標(biāo)分別見表1、2。

表1 黏土物理參數(shù)Tab.1 Physical properties parameters of the clay

表2 水泥物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Physical and mechanical parametersof thecement

1.2 接觸面粗糙度

目前，常用的結(jié)構(gòu)表面粗糙度評定方法有灌砂法、硅粉堆落法和分?jǐn)?shù)維法等[21]。基于灌砂法采用灌砂高度評定黏土-水泥土接觸面的粗糙度；運(yùn)用壓模鋼板預(yù)制帶有鋸齒狀凸起的水泥土板，如圖1所示，其最大峰谷距與平均峰谷距相同，可采用峰谷距表征水泥土板表面的粗糙度，并記為R。試驗(yàn)中按水泥摻入比11%，將烘干分散并過2 mm篩后的黏土與水灰比為1的水泥漿混合制成含水率為28%、壓實(shí)度為0.96的水泥土試塊，經(jīng)壓模鋼板壓制后在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行為期14 d的養(yǎng)護(hù)，最終形成粗糙度為R1=0、R2=1 mm、R3=2 mm和R4=4 mm的4種水泥土板。保持不同粗糙度水泥土板的齒距不變，改變齒高（圖1），以此研究齒高對黏土-水泥土接觸面剪切特性的影響，今后有必要進(jìn)一步研究齒距變化對其剪切性能的影響。

圖1 壓模鋼板示意圖Fig.1 Schematic diagram of stamped steel plate

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為ZJ-2型等應(yīng)變直剪儀。試驗(yàn)時(shí)，將原儀器下部剪切盒替換為不同粗糙度的水泥土板，水泥土板尺寸為110 mm×100 mm×25 mm（長×寬×厚）。上剪切盒內(nèi)部幾何尺寸為95 mm×75 mm×42 mm（長×寬×高），如圖2所示。接觸面最小尺寸與土料最大粒徑之比D/dmax=75/2=37.5＞6，則該剪切盒的尺寸設(shè)計(jì)能弱化剪切過程中尺寸效應(yīng)對試驗(yàn)結(jié)果的影響[22]。水泥土板沿剪切方向長度為L，土樣長度l與最大剪切位移δmax的關(guān)系為L-l=（110-95）=15 mm＞ δmax=10 mm，即剪切過程中接觸面面積始終不變，可有效改善應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高試驗(yàn)精度。

圖2 剪切盒示意圖Fig.2 Schematic diagram of shear box

為確定剪切過程中剪切面附近土體的運(yùn)移情況，試驗(yàn)前，在土樣表面觀測點(diǎn)處，用直徑1.5 mm的鋼絲垂直插入土樣，輕微旋轉(zhuǎn)后拔出，再將沾有粒徑小于0.1 mm碳粉的鋼絲插入該孔中，輕微扭轉(zhuǎn)，使碳粉盡可能吸附在孔壁上，然后拔出鋼絲。

1.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，將原直剪儀的下部剪切盒替換為水泥土板，同時(shí)將重塑黏土按壓實(shí)度0.96（干密度為1.637 g/cm3）分層裝入上剪切盒并壓實(shí)。重塑黏土的液性指數(shù)IL=-0.088（＜0），表明黏土處于較堅(jiān)硬狀態(tài)。制樣完成后，移除上剪切盒，將水泥土板連同上部重塑黏土一并放入保濕器；保濕時(shí)間不少于24 h，以保障接觸面物質(zhì)交換（主要為水分的交換）接近工程實(shí)際。經(jīng)過重塑黏土的壓實(shí)及接觸面保濕和水分交換過程，使得黏土和水泥土在界面處保持較為緊密的接觸。本文直剪試驗(yàn)均采用快剪試驗(yàn)方式進(jìn)行，剪切速率按1.2 mm/min進(jìn)行控制[23-24]。開展試驗(yàn)時(shí)，將水泥土板及其上部重塑黏土組裝至直剪儀，并于適當(dāng)位置安裝豎向千分表和橫向量力環(huán)。

2 粗糙度和法向應(yīng)力對接觸面剪切特性的影響

2.1 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖3為不同條件下接觸面剪應(yīng)力τ與剪切位移δ的關(guān)系曲線。

圖3 不同粗糙度下接觸面的τ -δ曲線Fig.3 τ-δcurves of interfaces under different roughness

由圖3可見：不同粗糙度R下，τ-δ曲線的變化趨勢大致相同，可分為快速增長階段（0＜δ＜3 mm）、緩慢增長階段（3 mm＜δ＜7 mm）和穩(wěn)定階段（7 mm＜δ＜10 mm）。法向應(yīng)力對接觸面τ-δ曲線影響顯著，隨著法向應(yīng)力的增大，接觸面的最大剪應(yīng)力（即峰值）顯著增大。本文峰值剪應(yīng)力取測力計(jì)讀數(shù)不變或出現(xiàn)下降時(shí)的對應(yīng)值；若測力計(jì)讀數(shù)持續(xù)增加則峰值剪應(yīng)力取最大剪切位移δmax（10 mm）的對應(yīng)值。由圖3可知，各曲線基本于最大剪切位移前達(dá)到或接近其穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)其剪應(yīng)力基本不再增加（接近其最大值）；因此，對于本文非軟化型曲線，取最大剪切位移對應(yīng)的剪應(yīng)力為峰值剪應(yīng)力具有較好的代表性。

圖4為不同粗糙度下接觸面峰值剪應(yīng)力與粗糙度（τp-R）之間的關(guān)系曲線。由圖4可知：粗糙度R＜1 mm時(shí)，接觸面峰值剪應(yīng)力基本不變；當(dāng)1 mm≤R＜2 mm時(shí)，接觸面峰值剪應(yīng)力隨粗糙度以較快速度增長，但當(dāng)R≥2 mm時(shí)，峰值剪應(yīng)力的增長速率逐步減小。

圖4 接觸面峰值剪應(yīng)力與粗糙度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between peak shear stress and roughness of the interfaces

2.2 法向應(yīng)變-剪切位移關(guān)系曲線

圖5為法向應(yīng)力420 kPa下各粗糙度接觸面的法向應(yīng)變ε與剪切位移δ的關(guān)系曲線（ε以壓縮為正，膨脹為負(fù)），其余法向應(yīng)力下的ε-δ曲線變化規(guī)律與之類似。各曲線的變化趨勢仍可分為3個(gè)階段：即較快增加階段、緩慢增長階段和穩(wěn)定階段。各法向應(yīng)力σ下土樣體積均減小，表現(xiàn)為剪縮，且剪縮量在剪切前期增長較快，但隨著剪切的持續(xù)進(jìn)行，剪縮量逐漸趨于穩(wěn)定，最后隨剪切位移繼續(xù)增大，土體體積基本不再發(fā)生變化。

圖6為不同粗糙度下接觸面法向應(yīng)變最大值隨法向應(yīng)力的變化曲線。由圖6可見：同一粗糙度下，法向應(yīng)變的最大值隨法向應(yīng)力的增大而增大，基本呈線性關(guān)系；相同法向應(yīng)力下，法向應(yīng)變最大值隨粗糙度的增加而增大。

圖5 不同粗糙度下接觸面的ε -δ曲線Fig.5 ε-δcurves of interfaces under different roughness

圖6 法向應(yīng)變最大值隨法向應(yīng)力變化曲線Fig.6 Relationship between maximum normal strain and normal stress

3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與粗糙度的關(guān)系

不同粗糙度和法向應(yīng)力下，黏土-水泥土接觸面的剪應(yīng)力峰值（即抗剪強(qiáng)度τs）如表3所示。由表3可見，相比光滑接觸面，粗糙度R＞1 mm時(shí)，接觸面的抗剪強(qiáng)度得到了顯著提升。以法向應(yīng)力σ=420 kPa為例，粗糙度R=4 mm時(shí)，接觸面剪切強(qiáng)度較R=0時(shí)提高了99.5%。

圖7為接觸面抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的變化關(guān)系。

由圖7可見，接觸面的抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力和粗糙度的增大而增大，且與法向應(yīng)力間具有良好的線性關(guān)系，表明黏土-水泥土接觸面的剪切破壞服從摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，如式（1）：

式中， φ1和c1分別為接觸面摩擦角和接觸面黏聚力。

經(jīng)線性擬合（擬合優(yōu)度r2均大于0.95）可得黏土-水泥土接觸面在不同粗糙度下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表4所示，其中c和 φ分別表示黏聚力和摩擦角。

本文同時(shí)開展了重塑黏土和水泥土的直剪試驗(yàn)，所得重塑黏土和水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表4所示。由表4可知：水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)較素土有明顯提高，其中黏聚力提高約10倍，內(nèi)摩擦角提高約5倍；但接觸面的黏聚力和摩擦角均遠(yuǎn)低于水泥上。

表3 黏土-水泥土接觸面直剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of shear testsfor clay-cement soil interfaces

圖7 不同粗糙度下接觸面抗剪強(qiáng)度Fig.7 Shear strength of different roughness interfaces

表4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)Tab.4 Shear strength parameters

圖8為黏土-水泥土接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨粗糙度的變化曲線。由圖8可知：接觸面摩擦角隨粗糙度的增大而增加，但當(dāng)粗糙度大于2 mm時(shí)，接觸面摩擦角的增長速率逐漸減?。唤佑|面黏聚力接近于黏土的黏聚力并在其上下浮動，說明黏土-水泥土接觸面的黏聚力可近似取為黏土的黏聚力。

圖8 接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨粗糙度變化曲線Fig.8 Relationship between roughness and shear strength parameters of interfaces

4 歸一化的接觸面強(qiáng)度有效系數(shù)

歸一化的接觸面強(qiáng)度有效系數(shù)Es為表征土與結(jié)構(gòu)物接觸面剪切特性的一個(gè)有效參數(shù)[25]，可通過下式計(jì)算得到：

式中， φ2為重塑黏土的內(nèi)摩擦角。

圖9為接觸面強(qiáng)度有效系數(shù)與粗糙度之間的關(guān)系曲線。由圖9可知，Es隨接觸面粗糙度的增大而增大，當(dāng)粗糙度R＞1 mm時(shí)，Es＞1，說明對于“規(guī)則型”結(jié)構(gòu)物表面，當(dāng)粗糙度增大到某一值時(shí)，由于“被動阻力”的存在充分調(diào)動了接觸面的抗剪性能[26]，使得其抗剪強(qiáng)度大于黏土自身的抗剪強(qiáng)度。

圖9 接觸面歸一化強(qiáng)度有效系數(shù)與粗糙度的關(guān)系Fig.9 Relationship between normalized effectivestrength coefficient and roughnessof interfaces

5 剪應(yīng)力與剪切位移的復(fù)合指數(shù)模型

由圖3可知，不同條件下接觸面剪應(yīng)力τ與剪切位移δ的關(guān)系曲線變化規(guī)律基本一致，整體表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型。基于MATLAB軟件平臺，對圖3中各條τ-δ曲線進(jìn)行復(fù)合指數(shù)、雙曲線、指數(shù)和Logistic 4種曲線模型擬合，得到復(fù)合指數(shù)模型的擬合度最優(yōu)，表達(dá)式為：

當(dāng)剪切位移δ趨于無窮時(shí)，有：

根據(jù)接觸面的摩爾-庫倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則（式（1））可知，參數(shù)A可表示為A=σtanφ1+c1。當(dāng)剪切位移δ=0時(shí)，接觸面剪應(yīng)力τ=0，可得B=1。C為模型參數(shù)，主要表征剪應(yīng)力隨剪切位移的發(fā)展速率，其大小與接觸面性質(zhì)有關(guān)。因此，式（3）可表示為：

式（5）為τ-δ曲線的應(yīng)變硬化型復(fù)合指數(shù)模型，經(jīng)擬合可得不同粗糙度下模型參數(shù)C的值如表5所示。由數(shù)據(jù)變化特征可知，模型參數(shù)C隨粗糙度的增加而增大，但隨法向應(yīng)力的變化不大，即同一粗糙度不同法向應(yīng)力下模型參數(shù)C基本在某一較小范圍波動，后續(xù)分析時(shí)統(tǒng)一用其平均值表示。

圖10為模型參數(shù)C隨接觸面粗糙度R的變化關(guān)系曲線。

圖10 模型參數(shù)C隨粗糙度變化關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between model parameter C and interface roughness

由圖10可知，參數(shù)C與粗糙度R之間具有較好的線性關(guān)系，可由下式表示：

將式（6）代入式（5），可得剪應(yīng)力與剪切位移的復(fù)合指數(shù)模型如式（7）：

圖11為粗糙度R=2 mm時(shí)，不同法向應(yīng)力下接觸面的τ-δ擬合曲線和試驗(yàn)曲線。

圖11 擬合曲線與試驗(yàn)曲線對比（R=2 mm）Fig.11 Comparison between fitted and tested curves（R=2 mm）

由圖11可見，復(fù)合指數(shù)模型擬合曲線與試驗(yàn)曲線變化趨勢基本吻合，說明黏土-水泥土接觸面剪應(yīng)力與剪切位移之間的關(guān)系可用本文提出的復(fù)合指數(shù)型模型模擬。

6 土體運(yùn)移規(guī)律

圖12為試驗(yàn)結(jié)束后的接觸面實(shí)物圖。由圖12可見，黏土-水泥土接觸面發(fā)生剪切破壞后，水泥土表面可見定向排列的波紋狀線條，水泥土溝槽內(nèi)局部有剪切破壞殘留的土體。

圖12 剪切后剪切面實(shí)物圖Fig.12 Picture of an interface after shearing

圖13為植入碳粉示蹤的黏土在試驗(yàn)結(jié)束后，沿剪切方向切開后的某一剖面。由圖13可知，接觸面附近一定范圍內(nèi)的土體發(fā)生了明顯的位移，整個(gè)影響范圍呈中間大兩邊小的弧形區(qū)域；且左側(cè)（剪切前方）土體標(biāo)記線彎曲變化較右側(cè)明顯，率先發(fā)生剪切破壞，隨著剪切的繼續(xù)進(jìn)行，剪切破壞區(qū)逐漸向右側(cè)（剪切后方）擴(kuò)展。

圖13 剪切后黏土試樣剖面實(shí)物圖Fig.13 Physical profile of the clay sample after shearing

7 結(jié) 論

基于系列直剪試驗(yàn)，研究黏土-水泥土接觸面的剪切特性。試驗(yàn)中保持不同粗糙度水泥土板的齒距不變，并基于灌砂法采用齒高表征接觸面的粗糙度R，以此研究齒高變化對黏土-水泥土接觸面剪切性能的影響。所得主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)R＜1 mm時(shí)，接觸面峰值剪應(yīng)力基本不變；當(dāng)1 mm≤R＜2 mm時(shí)，接觸面的峰值剪應(yīng)力隨粗糙度的增加呈現(xiàn)較快增長；但當(dāng)R≥2 mm時(shí)，峰值剪應(yīng)力隨粗糙度的增長速率逐步減小。此外，接觸面峰值剪應(yīng)力隨法向應(yīng)力的增加而增大。

2）黏土-水泥土接觸面的剪切破壞規(guī)律服從摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則；接觸面摩擦角隨粗糙度的增加而增大，但增長速率逐漸減緩；接觸面黏聚力與黏土自身的黏聚力大小相當(dāng)。

3）隨著粗糙度的增加，接觸面的剪切強(qiáng)度會出現(xiàn)大于黏土自身剪切強(qiáng)度的情況，即接觸面強(qiáng)度有效系數(shù)Es大于1，證明了隨著接觸面粗糙度的增加，“規(guī)則型”結(jié)構(gòu)物表面會出現(xiàn)一定的剪切“被動阻力”。

4）建立了描述黏土-水泥土接觸面粗糙度R、剪應(yīng)力τ、剪切位移δ、法向應(yīng)力σ、摩擦角φ和黏聚力c之間關(guān)系的復(fù)合指數(shù)模型；該模型結(jié)構(gòu)形式簡單、參數(shù)少，可較好地模擬剪應(yīng)力隨剪切位移的變化關(guān)系。

5）接觸面剪切過程中黏土的運(yùn)移情況表明，隨著剪切的持續(xù)進(jìn)行，剪切破壞區(qū)由剪切前方逐步擴(kuò)展至剪切后方。