正融土-混凝土接觸面力學(xué)性質(zhì)分析

潘一鳴，王伯昕.，張中瓊，王清

（1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130021；2.凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

我國青藏高原和東北地區(qū)季節(jié)性凍土分布廣泛，隨著“一帶一路”建設(shè)實施，在上述季凍區(qū)興建了大量的基礎(chǔ)設(shè)施，同時也出現(xiàn)了很多工程問題，這與季節(jié)性凍土凍融循環(huán)導(dǎo)致的與混凝土構(gòu)筑物基礎(chǔ)形成接觸面的力學(xué)性質(zhì)變化相關(guān)。目前對于構(gòu)筑物-凍土接觸面力學(xué)性質(zhì)的研究多集中在凍土-混凝土界面方面，國內(nèi)外對凍土與混凝土等構(gòu)筑物界面凍結(jié)強度研究已取得較多成果。LIU J K等［1］、LU P［2］研制了一款新型凍土直剪儀進行動剪切強度試驗，并揭示了影響淤泥質(zhì)凍黏土與混凝土接觸面動剪切強度的主要因素；K.W.Biggar等［3］、R.R.Shakir等［4］對凍鹽漬土與灌注樁的凍結(jié)強度進行試驗研究，表明界面凍結(jié)強度受冰、土、水等因素綜合作用影響；孫厚超等［5］對影響凍土與構(gòu)筑物界面的因素進行了試驗探究，并把界面層變形分為剪切變形和滑移變形；呂鵬等［6］研究不同因素對粗顆粒土-混凝土接觸面抗剪強度影響，并提出了經(jīng)驗公式；溫智等［7］通過控制含水率和溫度變化，探究了兩個因素對凍結(jié)強度和凍結(jié)強度恢復(fù)的影響；趙聯(lián)楨等［8-9］研制了一套多功能凍土-結(jié)構(gòu)接觸面循環(huán)直剪系統(tǒng)，并進行了一系列試驗，此裝置為接觸面力學(xué)行為研究提供了思路；吉延峻等［10］進行了現(xiàn)澆混凝土-凍土直剪試驗，并對凍土區(qū)現(xiàn)澆混凝土的最佳水灰比進行了探究；LEE J等［11］在低溫環(huán)境箱中進行了直剪試驗，以研究界面凍結(jié)強度；C.H.Choi等［12］用直剪儀進行了不同溫度下凍結(jié)砂土與鋁板接觸面直剪試驗，并對凍結(jié)強度進行預(yù)測。以上大多試驗都是基于凍土。王博等［13］進行了高壓正融土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切力學(xué)特性試驗研究，發(fā)現(xiàn)凍土解凍程度不同，剪應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)不同的特性。上述研究從某個角度對凍土與結(jié)構(gòu)接觸面凍結(jié)強度開展了試驗，對于融化過程中凍土-混凝土界面的力學(xué)性質(zhì)研究仍然較少。

我們跑進廚屋，見水缸里倒插著兩只小腳，僵直地指向低矮的黑暗的天空！大梁哎呀大叫一聲，沖了過去。我也跟著跑上前，見她奶奶半個身子都栽進缸里，水漫得滿地都是。大梁把油燈放到灶臺上，伸手去水缸里撈人。缸里的水猛地漲出來，響亮地砸在地上，流水不停漫過我的腳背。

由圖16可以獲得faFM和waFM歐式空間點的坐標(biāo)變換，faFM在Lv、Q方向的變動范圍分別為-0.08 mm～0.08 mm和-0.1 mm～0.1 mm，waFM在Lv、Q方向的變動范圍都為-0.2 mm～0.2 mm。

凍土-混凝土接觸面的力學(xué)性質(zhì)研究主要通過固定破壞面的剪切試驗完成。目前國內(nèi)外試驗方法主要分為3種，直剪、單剪和環(huán)剪試驗，這3種試驗方法各有優(yōu)劣，其中直剪儀構(gòu)造簡單、操作方便。本文采用直剪儀對正融土-混凝土接觸面的力學(xué)性質(zhì)進行試驗研究。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗儀器

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制直剪儀測定正融土-混凝土接觸面的抗剪強度。在4種法向壓力下對試驗樣品進行剪切，求得破壞時的剪切應(yīng)力，確定凍結(jié)強度，利用庫倫定律求得接觸面的摩擦力和內(nèi)摩擦角。圖1為試樣受力示意圖。圖2為試驗所選取的混凝土面示意圖。

圖1 試樣受力示意圖Fig.1 Forces schematic of specimen

圖2 混凝土面示意圖Fig.2 Schematic of concrete interface

1.2 試驗方法

選用長春地區(qū)典型淺層粉質(zhì)黏土，基本物理參數(shù)見表1。首先制作直徑61.8 mm，高1 cm的混凝土圓盤，混凝土配合比見表2。按預(yù)先設(shè)定的含水率配置粉質(zhì)黏土，取標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀，為取樣方便，在環(huán)刀內(nèi)邊緣涂一層凡士林，然后將混凝土圓盤置入環(huán)刀中，上層填入一定質(zhì)量的土樣，干密度1.57 g/cm3，壓實，將壓實的環(huán)刀樣置入固結(jié)儀中固結(jié)5 h，固結(jié)儀采用保鮮膜包裹，底部保水處理。固結(jié)完成后，取出環(huán)刀樣，用保鮮膜整體包裹后，置入-20℃的冰柜中冰凍4 h，待樣品凍結(jié)完成后，從冰柜中取出，迅速用透水石擠出試件，測量溫度，待溫度計示數(shù)穩(wěn)定，此過程約1 min，之后進行排水快剪試驗，試驗過程中對試件進行紅外加熱，以保證正融土逐漸融化，整個剪切過程持續(xù)7′30″，取出樣品后，對剪切后的接觸面土壤進行溫度測量，此過程約1 min。法向應(yīng)力分別設(shè)為100，200，300，400 kPa，土樣實配含水率為9.9%，21.8%，33.0%，剪切速率0.8 mm/min。試驗溫度和試驗后的含水率見表3，試驗前后接觸面土樣的溫度變化如表4所示。

表1 土壤物理參數(shù)Tab.1 Physical properties of soil

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of concrete kg/m3

表3 試驗溫度和試驗后土壤含水率Tab.3 Test temperatures and soil moisture contents after test

表4 正融土溫度變化情況Tab.4 Variation of thawing soil temperatures

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正融土-混凝土接觸面剪應(yīng)力-位移曲線特征

幼果被害后，多在萼洼產(chǎn)生白色粉斑，病部變硬。病果生長緩慢，較正常果實小。果實長大后白粉脫落，形成網(wǎng)狀銹斑，后期變硬的組織龜裂，形成裂口或裂紋。

The overall and disease specific survival rates were measured as long-term outcomes.

圖3 w=21.8%時接觸面剪應(yīng)力-位移曲線Fig.3 Shear stress-displacement curves with w as 21.8%

圖4 第I階段試件物理狀態(tài)Fig.4 Physical state of the specimen in stage I

病患任意血糖指標(biāo)高于11.1 mmol/L，證明病患患糖尿病癥。對觀察組和對照組的TC，2 hPBG，TG和葡萄糖耐量等指標(biāo)進行對比分析。對兩組檢查結(jié)果的有效率進行判定（檢測結(jié)果與臨床診斷結(jié)果相同，判定為有效，反之則無效）。

在100 kPa法向應(yīng)力作用下，不同含水率的混凝土-正融土接觸面的剪應(yīng)力-位移特征不一致，如圖8所示。w=9.9%時凍土-混凝土剪應(yīng)力-位移曲線呈一直上升趨勢，這主要是由于土中顆粒比表面積大，水分以吸濕水形式存在，自由水較少。低溫條件下，水分主要是以未凍水存在，界面間不能形成冰膠結(jié)力。低含水率條件下界面凍結(jié)強度主要由摩擦力和土顆粒-混凝土黏聚力提供，故接觸面的剪應(yīng)力-位移曲線呈塑性破壞型，沒有明顯峰值。試驗結(jié)果表明，凍結(jié)情況下土壤初始含水率對剪應(yīng)力-位移曲線影響顯著。

圖5 第Ⅲ階段試件物理狀態(tài)Fig.5 Physical state of the specimen in stageⅢ

第Ⅳ階段為剪應(yīng)力顯著上升階段，室溫狀態(tài)下，正融土在融沉和法向壓力作用下開始失水，剪切應(yīng)力隨著剪切位移增大逐漸變大。且融化和失水同時進行，在第Ⅳ階段土壤失水［14］，密度變大導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大是造成剪切應(yīng)力上升的主要原因，且試驗中也觀測到接觸面附近土壤融化較快，如圖6所示。由表3可知，法向壓力越大，土壤散失的水分就越多，對應(yīng)圖3表現(xiàn)為高法向應(yīng)力下剪切應(yīng)力上升較快，且觀察到接觸面土壤易融化失水。經(jīng)測量可知，整個過程中土壤溫度經(jīng)歷了從負到正的變化過程。

圖6 第Ⅳ階段試件物理狀態(tài)Fig.6 Physical state of the specimen in stageⅣ

w=33%時，混凝土-正融土接觸面的剪切情況反映出曲線第Ⅱ階段也存在明顯的軟化階段，如圖7所示，峰值數(shù)值比含水率21.8%的低，其他段變化規(guī)律和含水率33%曲線段的變化規(guī)律基本一樣。試驗結(jié)果表明，兩種含水率的剪應(yīng)力-位移關(guān)系曲線上升階段存在明顯區(qū)別，由于含水率高的土樣融化速率快，溫度上升快，因此峰值強度低，且沒有出現(xiàn)剪應(yīng)力急速下降的應(yīng)變軟化階段。

隨后彈性變形接近極限時，接觸面開始破壞，進入第Ⅱ階段，由于冰膠結(jié)力迅速減小，界面之間的黏結(jié)力迅速下降，表現(xiàn)為后峰值強度應(yīng)變軟化行為，此階段持續(xù)1′～1′15″，對應(yīng)的剪切位移為0.8～1 mm。第Ⅱ階段下降速率大于第I階段的上升速率，隨后進入第Ⅲ階段。

圖7 w=33%時接觸面剪應(yīng)力-位移曲線Fig.7 Shear stress-displacement curves with w as 33%

第III階段為30～45 s的平穩(wěn)階段，其剪切位移為0.4～0.6 mm，平穩(wěn)階段的剪切應(yīng)力隨著法向應(yīng)力增大10～30 kPa，如圖5所示。分析認為凍土融化過程中，剪切應(yīng)力主要克服混凝土與土壤接觸界面的摩擦力，融化過程的水分散失和融沉還未引起土壤干密度太大變化，界面間剪切力主要以正融土-混凝土摩擦為主，剪應(yīng)力比較穩(wěn)定。

圖8 100 kPa應(yīng)力下不同含水率時剪應(yīng)力-位移曲線Fig.8 Shear stress-displacement curves of different moisture contents under 100 kPa stress

2.2 凍結(jié)情況對混凝土-正融土接觸面剪應(yīng)力-位移曲線特征的影響

對比w=21.8%時正融土的剪切和混凝土-正融土接觸面剪切曲線（圖11）可知，土樣的剪切應(yīng)力隨法向壓力增加而增加，且正融土抗剪強度比界面間抗剪強度大。這一現(xiàn)象與界面間冰膠結(jié)力形成機理有關(guān)。界面間凍結(jié)強度主要由摩擦力和土顆粒-混凝土膠結(jié)力提供，咬合力較弱。正融土剪切除了克服黏聚力外，還要克服冰的強度、土顆粒骨架的強度［16］。土壤內(nèi)部的冰結(jié)晶體會加固土骨架，導(dǎo)致比界面間剪切強度大。由圖11可知，當(dāng)不固定剪切破壞面時，破壞面會出現(xiàn)在正融土-混凝土界面間。隨著土壤融化和壓力作用，冰晶加固的土骨架破壞，剪切應(yīng)力峰值過后剪切強度會慢慢變小，但始終大于界面間剪切力，且正融土-混凝土界面剪切破壞應(yīng)力會先達到峰值，表明界面間塑性程度較低。

圖9 常溫下w=21.8%時剪應(yīng)力-位移曲線Fig.9 Shear stress-displacement curves at room temperature with w as 21.8%

正融土-混凝土接觸面的抗剪強度變化過程如圖13～14所示，w=21.8%時，試件在剪切發(fā)生的初始階段，冰膠結(jié)力比較大，表現(xiàn)為特征點A的抗剪強度曲線在最上方。對于w=33%的土樣，第Ⅲ段的抗剪強度大于第Ⅲ階段，一方面是由于33%高含水率土壤導(dǎo)熱系數(shù)大［17］，融化更快，膠結(jié)強度低。另一方面是由于在第Ⅳ階段，隨著溫度上升，融化失水進行，土壤失水較多，已融化的水分擠出土壤，導(dǎo)致土體干密度變大。所以第Ⅳ段剪應(yīng)力的上升相對較多。第Ⅲ段是一個相對穩(wěn)定階段，在土壤融化、法向應(yīng)力作用下，第Ⅰ、Ⅱ段殘余的膠結(jié)強度大部分已經(jīng)消失，第Ⅳ階段尚未到來，所以內(nèi)摩擦角和黏聚力相對其他階段較小。

圖10 凍結(jié)和常溫條件下w=21.8%時剪應(yīng)力-位移曲線Fig.10 Shear stress-displacement curves under freezing and room temperature conditions with w as 21.8%

2.3 正融土和混凝土-正融土接觸面剪切過程分析

常溫w=21.8%時常溫土-混凝土接觸面在不同法向壓力作用下的接觸面剪切力-位移曲線為雙曲線型（圖9）。剪切至最大位移也未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，曲線最后趨于水平。結(jié)果表明，在一定含水率條件下，法向壓力越大，接觸面初始剪切模量越高，剪應(yīng)力峰值和剪切破壞位移越大，剪應(yīng)力強度達到峰值后趨于穩(wěn)定，隨著剪切位移持續(xù)增加，接觸面的剪應(yīng)力-位移性狀呈塑性破壞型，其應(yīng)力-位移關(guān)系曲線為弱軟化型和屈服型，無明顯峰值。分析認為，在剪應(yīng)力上升段，剪應(yīng)力主要由粉質(zhì)黏土與混凝土間的黏聚力和摩擦力提供，隨著剪切位移增加，達到平穩(wěn)階段。在殘余摩擦段，剪應(yīng)力主要由粉質(zhì)黏土顆粒與混凝土面滑動摩擦組成，同時由于粉質(zhì)黏土顆粒的逐漸定向排列，剪應(yīng)力在一定程度上有保持穩(wěn)定的趨勢［15］。

圖11 w=21.8%時正融土剪切和混凝土-正融土剪切曲線Fig.11 Shear curves of thawing soil and concrete-thawing soil with w as 21.8%

2.4 各階段正融土-混凝土接觸面剪切強度特征

將正融土-混凝土界面間抗剪強度定義為各階段的峰值強度。由于第三階段為平穩(wěn)階段，本文取各階段特征點A，B，C進行分析，具體位置如圖12所示。

圖3為含水率為21.8%時的接觸面剪應(yīng)力-位移曲線，明顯呈現(xiàn)4個階段，即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。由圖3可知，法向壓力為300，400 kPa的剪切初始階段，剪應(yīng)力隨剪切位移的增加迅速增長，曲線斜率較大，接近直線，可認為這一階段近似為線彈性變形，原因為冰膠結(jié)力的作用［6］。法向應(yīng)力為100，200 kPa時，曲線增長變慢，表現(xiàn)為弱軟化特征。剪切位移為1.5 mm內(nèi)可達到最大剪應(yīng)力，隨著法向壓力增大，到達最大剪應(yīng)力對應(yīng)的剪切位移也隨之變大。在剪切初始的1″30″～1″45″為第I階段，其對應(yīng)的剪切位移長度為1.5 mm。試驗結(jié)果表明，第I階段正融土-混凝土接觸面為脆性破壞，存在明顯峰值，冰膠結(jié)力破壞后降幅達30%以上?？烧J為剪應(yīng)力的迅速降低和冰膠結(jié)有關(guān)，由表4也可知，剪切開始階段，土壤接觸面溫度為負值，界面間存在脆性破壞。第I階段試件物理狀態(tài)如圖4所示。

圖12 特征點位置示意圖Fig.12 Location schematic of feature points

圖14 w=33.0%時抗剪強度擬合曲線Fig.14 Fitting curves of shear strength with w as 33.0%

凍結(jié)和常溫條件下w=21.8%時，混凝土-正融土接觸面剪應(yīng)力-位移曲線如圖10所示，試驗初始階段，一定法向壓力作用下，凍結(jié)情況下的剪切強度先達到峰值，這主要是由于殘余冰膠結(jié)力的作用，且凍結(jié)情況下第一個峰值點高于相同位置常溫情況下的值。隨著剪切進行，常溫土剪切強度越來越大，最終高于凍結(jié)情況曲線。分析認為，正融土在壓融和外界溫度作用下土壤融化迅速，原有的土骨架結(jié)構(gòu)被破壞，同時正融土較常溫土保水性較好，因此剪切后期正融土剪切應(yīng)力小于常溫土的。與常溫土剪切情況對比，正融土接觸面剪應(yīng)力達到峰值所需的位移更小，接觸面呈脆性破壞特征。

圖13 w=21.8%時抗剪強度擬合曲線Fig.13 Fitting curves of shear strength with w as 21.8%

正融土與混凝土接觸面的抗剪強度也稱為接觸面的凍結(jié)強度。凍結(jié)強度由土中已凍結(jié)純冰和混凝土接觸面的凍結(jié)力以及土顆粒、未凍結(jié)水與混凝土表面的黏聚力和摩擦力共同組成，在整個剪切過程中，這三種力共同作用，各個階段的占有比例不同。

3 結(jié) 論

（1）正融土-混凝土界面剪切試驗中，接觸面峰值和殘余剪切強度均隨法向應(yīng)力的增加而增大。剪應(yīng)力-位移曲線隨著土壤融化的進程表現(xiàn)為4個不同的階段，且剪切面附近土壤易融化。

（2）試驗曲線的特性會隨著凍結(jié)情況、土壤初始含水率、法向壓力的不同表現(xiàn)出不同的特點。常溫土-混凝土的剪切曲線呈彈塑性變形，沒有明顯峰值；較高含水率的正融土-混凝土接觸面的剪切過程呈脆性破壞型，存在明顯峰值，破壞后應(yīng)力降幅達30%以上。

（3）在法向壓力作用下，正融土-混凝土界面間剪切應(yīng)力始終遠小于正融土剪切破壞應(yīng)力，且正融土-混凝土界面剪切破壞應(yīng)力會先達到峰值。

如若要回答“誰持彩練當(dāng)空舞？”這個問題，這就涉及作者想要表達什么的問題了。這句破空而來的“天問”極具政治色彩。綜觀毛澤東詩詞，寫“天”的詩句很多，如“欲與天公試比高”“天翻地覆慨而慷”“敢教日月?lián)Q新天”等等。仔細品讀，可知“天”這一意象在毛澤東詩詞中一直染著濃郁的政治色彩。而從《菩薩蠻·大柏地》這首詞作所描寫的壯麗景象和作者奔放的情感來看，確是飽含著“舍我其誰”的自信和豪邁。然而，毛澤東更有常人難以企及的一面，僅以常情推論，只能浮于表面。事實上，詞的下闋對“誰持彩練當(dāng)空舞”這一問題已作出了更深一層的回答。

（4）在正融土-混凝土剪切過程中，第Ⅲ階段的黏聚力和內(nèi)摩擦角相比其他階段小，表現(xiàn)為特征點B曲線在最下方。