粗糙度對(duì)黏性土-混凝土界面剪切特性影響

王波， 張騰， 林振華， 梁國(guó)偉， 馮宏斌， 周立飛

（1.中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司，北京 100855；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；3.中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，太原 030024）

0 引言

為了研究粗糙度對(duì)粉質(zhì)黏土-混凝土界面抗剪強(qiáng)度特性的影響，通過自制研究的直剪試驗(yàn)儀器，研究結(jié)構(gòu)與不同材料之間的界面力學(xué)特性，一方面有利于提高巖土結(jié)構(gòu)安全及設(shè)計(jì)和分析水平，另一方面通過直剪試驗(yàn)測(cè)試得到的力學(xué)參數(shù)，可以更加深入的研究結(jié)構(gòu)與材料之間的力學(xué)行為［1-3］。界面力學(xué)特性在兩種不同材料之間的工程中，涉及復(fù)雜的耦合和相互作用，同時(shí)還受加載路徑、粗糙度、孔隙水壓力等的影響［4-7］。楊有蓮、彭凱、高強(qiáng)等［8-10］通過樁-土界面剪切儀研究了不同粗糙度混凝土板間的界面阻力變化規(guī)律。在已有的直剪試驗(yàn)中，對(duì)剪切強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了有效的研究，獲得了一些有益成果。

文中研究了粗糙度對(duì)剪切破壞位移和界面剪切剛度的影響，從細(xì)觀層面上解釋了粗糙度對(duì)剪切特性的影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)過程研究

土樣制備按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［11］配置含水率為20%的中壓縮性重塑粉質(zhì)黏土。試驗(yàn)所用大型直剪儀可以改變界面粗糙度，同時(shí)施加不同法向應(yīng)力對(duì)混凝土和黏性土界面進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試。試驗(yàn)方案見表1。土樣的物理指標(biāo)見表2。

表1 試驗(yàn)方案

表2 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

利用大型直剪試驗(yàn)研究粉質(zhì)黏土-混凝土界面抗剪強(qiáng)度特性，需將下剪切盒換成混凝土塊體。在實(shí)際工程中，土與混凝土結(jié)構(gòu)的接觸界面通常是粗糙面，試驗(yàn)中不同粗糙度的設(shè)置將表現(xiàn)出不同的界面剪切力學(xué)特性，試驗(yàn)設(shè)置了R（峰-谷距）分別為0、2、4，6mm 的齒形槽來模擬樁-土界面的同粗糙狀態(tài)（齒形槽的上端寬2mm，下端寬10mm），如圖1 所示。由張嘎等和趙春風(fēng)等［12-14］研究可知，試驗(yàn)粗糙度的設(shè)置可較好的模擬樁-土界面的剪切力學(xué)特性。

圖1 不同粗糙程度的混凝土板

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界面阻力與剪切位移變化曲線

圖2繪制了不同粗糙度法向應(yīng)力下界面阻力與剪切位移變化曲線，從圖2中可以看出，在同一粗糙度剪切位移較小時(shí)曲線有重合段，界面阻力峰值和剪切位移隨著法向應(yīng)力增大而增大；在粗糙度等級(jí)較低時(shí)（R≤2mm），曲線在法向應(yīng)力σ≤43.2kPa 呈現(xiàn)明顯的折線型，法向應(yīng)力σ≥88.7kPa時(shí)，曲線特性介于折線型與雙曲線型之間。

圖2 不同粗糙程度下界面阻力與剪切位移變化曲線

圖3給出了不同法向應(yīng)力粗糙度變化的剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線，從圖3中可以看出，在同一法向應(yīng)力下，不同粗糙度下的曲線具有重合段，隨著剪切位移的增大，各粗糙度下的曲線逐漸分離；在不同法向應(yīng)力下，粗糙度對(duì)曲線的影響較大，當(dāng)粗糙度R≤2mm時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到峰值后基本保持穩(wěn)定；當(dāng)粗糙度R≥4mm 時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到峰值后出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，即出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

圖3 不同法向應(yīng)力下界面阻力與剪切位移變化曲線

2.2 粗糙度對(duì)彈性臨界位移的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以繪制出不同粗糙度下彈性臨界位移的變化曲線，如圖4所示?？梢钥闯?，法向應(yīng)力相同時(shí)，彈性臨界位移隨粗糙度的增加變化不大，當(dāng)法向應(yīng)力為23.6kPa的時(shí)候，隨著粗糙度不斷增加，彈性臨界位移基本在1.5mm左右；當(dāng)法向應(yīng)力為142.8kPa時(shí)，隨著粗糙度的增加，彈性臨界位移保持在2.0mm基本不變，所以可以得出當(dāng)法向應(yīng)力一定時(shí)，粗糙度對(duì)彈性臨界位移的影響可以忽略不計(jì)。

圖4 彈性臨界位移與粗糙度關(guān)系曲線

隨著法向應(yīng)力從23.6kPa增加到142.8kPa，彈性臨界位移從由1.5mm增大至2.0mm，增大幅度為35.5%，這表明法向應(yīng)力對(duì)彈性臨界位移有顯著的影響。

2.3 粗糙度對(duì)彈性極限摩阻力的影響

由圖5 可以看出，當(dāng)粗糙度介于0～2mm 之間時(shí)，由于粗糙度太小，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響存在偏差，即當(dāng)法向應(yīng)力為23.6kPa 的時(shí)候，彈性極限摩阻力在此范圍內(nèi)出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，但在其他法向應(yīng)力條件下，彈性極限摩阻力隨著粗糙度等級(jí)提高而逐漸增加，隨著法向應(yīng)力的增加，彈性極限摩阻力逐漸增加，隨粗糙度增加不同樁土界面彈性極限摩阻力差值逐漸不明顯。當(dāng)法向應(yīng)力最大時(shí)，即法向應(yīng)力為142.8kPa 時(shí)，界面彈性極限摩阻力變化緩慢，所以該試驗(yàn)條件下法向應(yīng)力越大粗糙度對(duì)樁土界面彈性極限摩阻力影響越小。

圖5 彈性極限摩阻力與粗糙度關(guān)系曲線

2.4 粗糙度對(duì)破壞臨界位移的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以繪制出不同粗糙度下破壞臨界位移的變化曲線，如圖6所示?？梢钥闯觯ㄏ驊?yīng)力相同時(shí)，破壞臨界位移隨粗糙度的增加有所增加，法向應(yīng)力為88.7kPa 時(shí)變化不明顯，隨著法向應(yīng)力從23.6kPa 增加到142.8kPa，最大破壞臨界位移從由4.9mm增大至15.2mm，這表明法向應(yīng)力對(duì)破壞臨界位移有顯著的影響。

圖6 破壞臨界位移與粗糙度關(guān)系曲線

2.5 粗糙度對(duì)界面極限摩阻力的影響

由圖7 可知，界面極限摩阻力隨著粗糙度等級(jí)提高而逐漸增加，隨著法向應(yīng)力的增加，極限摩阻力逐漸增加，隨粗糙度增加不同樁土界面極限摩阻力差值越明顯，法向應(yīng)力從23.6kPa 增加到142.8kPa，最大界面極限摩阻力由32.6kPa 增大至95.6kPa，當(dāng)法向應(yīng)力為142.8kPa 時(shí)，極限摩阻力的變化最為明顯，增加幅度為最大，其他法向應(yīng)力條件下的極限摩阻力變化較一般。文中試驗(yàn)條件下法向應(yīng)力越大粗糙度對(duì)樁土界面極限摩阻力影響越大。

圖7 界面極限摩阻力與粗糙度關(guān)系曲線

3 結(jié)語

文中通過直剪試驗(yàn)，研究粗糙度對(duì)粉質(zhì)黏土-混凝土界面抗剪強(qiáng)度特性的影響得出以下結(jié)論：

（1） 在文中粗糙度等級(jí)范圍內(nèi)，當(dāng)粗糙度R≤2mm 時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到峰值后基本保持穩(wěn)定；當(dāng)粗糙度R≥4mm時(shí)，出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

（2） 粗糙度對(duì)黏土-混凝土界面的抗剪強(qiáng)度、臨界位移和極限摩阻力等特征參數(shù)有重要影響，從而影響界面界面阻力和剪切位移之間的關(guān)系。

（3） 粗糙度對(duì)界面臨界位移和極限摩阻力的影響較附著力的影響顯著。當(dāng)法向應(yīng)力相同時(shí)，隨著粗糙度增加，黏土土-混凝土界面臨界位移和極限摩阻力均顯著增大，幅度均超過40%。

（4） 試驗(yàn)條件下得到的結(jié)論，可為實(shí)際工程中靜壓樁由于工況變化導(dǎo)致的樁土界面法向應(yīng)力改變提供借鑒。