加卸荷工況對(duì)注漿砂土-混凝土接觸面剪切特性影響

吳 悅，劉豐銘，趙春風(fēng)，侯忠偉，王有寶，涂義亮，韓達(dá)光

(1.重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁與隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；4.重慶魯汶智慧城市與可持續(xù)發(fā)展研究院，重慶 401135；5.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院，重慶 400072；6.成都市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，四川 成都 610094)

土-結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性是巖土工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者針對(duì)土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性開展了大量研究。Potyondy[1]通過(guò)直剪儀對(duì)不同種類的土與混凝土板接觸面力學(xué)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)接觸面粗糙度是影響接觸面剪切強(qiáng)度的重要因素之一；陳俊樺[2]、金子豪[3]等研究亦得出類似結(jié)論。Zhao[4]、趙春風(fēng)[5]等采用大型直剪試驗(yàn)，研究了卸荷情況下砂土及黏土與混凝土板接觸面的力學(xué)特性，系統(tǒng)分析了不同加、卸荷狀態(tài)下土與結(jié)構(gòu)物接觸面的力學(xué)特性，以及卸荷程度、粗糙度等對(duì)接觸面軟化特性和剪脹（縮）性的影響。趙春風(fēng)等[6]建立了不同粗糙度和應(yīng)力歷史的黏土與混凝土板接觸面彈塑性模型。張嘎[7-8]、胡黎明[9]、Clough[10]等研究不同工況下土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性，得到了一系列有益的分析結(jié)果。

當(dāng)土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性不能滿足實(shí)際工程需要時(shí)，往往采用接觸面注漿改善接觸面力學(xué)特性，比如，樁側(cè)后注漿、盾構(gòu)隧道壁后注漿等。萬(wàn)征等[11]研究樁側(cè)后注漿樁的水平承載特性，發(fā)現(xiàn)采用樁側(cè)后注漿技術(shù)，可顯著提高灌注樁水平承載特性；葉飛等[12]通過(guò)理論分析，研究盾構(gòu)隧道壁后注漿漿液擴(kuò)散模式，以及對(duì)隧道管片壓力的影響，發(fā)現(xiàn)漿液擴(kuò)散半徑及漿液對(duì)管片產(chǎn)生的壓力與注漿壓力、注漿時(shí)間、土體特性及漿液性質(zhì)等因素有關(guān)；費(fèi)逸等[13]通過(guò)砂土-混凝土接觸面注漿剪切試驗(yàn)，模擬研究了樁側(cè)后注漿過(guò)程的樁-土接觸面力學(xué)特性，但其研究暫未考慮樁側(cè)土體存在卸荷工況的影響；Chu等[14]進(jìn)行了一系列全風(fēng)化花崗巖-水泥漿體接觸面直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接觸面剪切強(qiáng)度取決于法向應(yīng)力水平、土的含水率及接觸面粗糙程度；Hossain等[15]研究了不同注漿壓力和法向應(yīng)力對(duì)全風(fēng)化花崗巖-水泥漿體接觸面力學(xué)特性的影響，該試驗(yàn)結(jié)果表明，注漿壓力對(duì)接觸面內(nèi)摩擦角無(wú)明顯影響，接觸面黏聚力隨著注漿壓力的增大而增大；Chen等[16]在直剪試驗(yàn)中對(duì)水泥漿進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)水泥漿的剪切強(qiáng)度與法向壓力成線性關(guān)系；Yin等[17]通過(guò)土釘抗拔試驗(yàn)，研究灌漿壓力和上覆土應(yīng)力對(duì)土釘界面抗剪力的影響；Dano等[18]對(duì)比研究了注漿和未注漿砂土力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)注漿砂土的內(nèi)摩擦角、泊松比與未注漿砂土基本一致，可認(rèn)為未發(fā)生改變，而黏聚力及剪切模量得到顯著提高。

較多學(xué)者研究正常應(yīng)力條件下常規(guī)的土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性，而對(duì)于接觸面存在卸荷工況下的力學(xué)特性研究還不夠深入。在實(shí)際工程中，經(jīng)常涉及接觸面存在卸荷工況，比如，灌注樁樁側(cè)與土體相互作用，由于灌注樁成孔過(guò)程存在卸荷，因此可歸為卸荷土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性。工程中，對(duì)于不同注漿工況及不同接觸面加卸荷工況下，土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性問題研究鮮少涉及。因此，本文采用自主研發(fā)的注漿裝置和改進(jìn)的可用于注漿的大型多功能界面剪切儀，開展不同注漿量和不同加、卸荷工況下的注漿砂土-混凝土接觸面剪切試驗(yàn)，研究不同加、卸荷工況對(duì)注漿和未注漿接觸面剪切力學(xué)特性、強(qiáng)度參數(shù)等的影響；同時(shí)，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的接觸面剪切影響范圍觀測(cè)方法，分析不同加、卸荷工況對(duì)注漿和未注漿接觸面剪切影響范圍的影響。

1 直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要包括試驗(yàn)土體、混凝土板和水泥漿液。試驗(yàn)土體采用上海某工程第③2層灰色粉砂，其主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)土樣物理力學(xué)指標(biāo)[5]Tab. 1 Parameters of silt in tests[5]

采用C25混凝土澆筑混凝土板，混凝土板尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為590 mm×390 mm×50 mm，混凝土板內(nèi)部添加直徑為8@100、HPB300級(jí)雙向鋼筋，混凝土板表面為平面，本文暫不考慮粗糙度對(duì)注漿砂土-混凝土接觸面剪切特性的影響，粗糙度的影響將在后續(xù)研究中開展。

水泥漿液配置：采用普通硅酸鹽水泥，水泥強(qiáng)度等級(jí)為P.O 42.5；根據(jù)預(yù)試驗(yàn)中漿液的可注性及戴國(guó)亮等[19]給出的現(xiàn)場(chǎng)樁的后注漿的漿液水灰比為0.5～0.7，樁數(shù)占統(tǒng)計(jì)總樁數(shù)的90.15%，綜合確定本次試驗(yàn)的水灰比為0.6；水泥漿液中添加染色劑，便于試驗(yàn)完成后進(jìn)行開挖觀測(cè)漿液分布形態(tài)。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器主要有包含空氣壓縮機(jī)和注漿罐的注漿設(shè)備以及改進(jìn)的多功能界面剪切儀。其中：空氣壓縮機(jī)用于提供注漿過(guò)程所需的注漿壓力；注漿罐用于存放配置好的水泥漿液；多功能界面剪切儀包含上、下剪切盒、加載裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，上、下剪切盒尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為600 mm×400 mm×100 mm，加載裝置用于對(duì)制作好的剪切盒內(nèi)的土體進(jìn)行加壓固結(jié)和后續(xù)剪切，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于自動(dòng)采集試驗(yàn)所需的應(yīng)力、位移等數(shù)據(jù)。

整套試驗(yàn)裝置的基本原理為空氣壓縮機(jī)連接注漿罐，注漿罐通過(guò)管路連接多功能界面剪切儀上剪切盒，通過(guò)空氣壓縮機(jī)提供的壓力將注漿罐內(nèi)的漿液注入砂土與混凝土接觸面處。具體原理和操作方法參見文獻(xiàn)[20]。

1.3 測(cè)定剪切影響范圍

圖1為剪切影響范圍的標(biāo)志原理圖。由圖1可見，測(cè)定剪切影響范圍的操作步驟如下：1）在上剪切盒內(nèi)裝入試驗(yàn)砂土，進(jìn)行表面平整處理。2）按照設(shè)定位置對(duì)上剪切盒內(nèi)試驗(yàn)砂土進(jìn)行鉆孔，在孔內(nèi)灌入彩色砂，直條紋即代表灌注的彩色砂標(biāo)志。剪切過(guò)程中，下剪切盒內(nèi)混凝土板的移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)與之接觸的一定厚度范圍內(nèi)的土體顆粒的運(yùn)動(dòng)，從而在靠近剪切板附近形成具有一定厚度的剪切帶。3）試驗(yàn)完成后，進(jìn)行開挖處理，測(cè)定變形后的剪切帶變化范圍和距離，試驗(yàn)測(cè)定垂直剪切影響范圍Sy，剪切位移S及水平剪切影響范圍Sx，精確至0.5 mm。

圖1 剪切影響范圍標(biāo)志原理圖Fig. 1 Schematic of the shear impact range

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果的整理，可探討砂土-混凝土接觸面在剪切過(guò)程中其垂直剪切影響范圍Sy和水平剪切影響范圍Sx隨不同工況下的變化規(guī)律。詳細(xì)原理和操作方法參見文獻(xiàn)[21]。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)研究不同法向加、卸荷工況對(duì)注漿砂土-混凝土接觸面剪切特性的影響。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的500 kPa注漿壓力下，可注入的最大注漿量約為400 mL。因此，注漿量分別設(shè)定為200、300和400 mL，注漿壓力保持為500 kPa。接觸面法向加、卸荷工況如下：1）先期固結(jié)法向應(yīng)力25、50、75和100 kPa下，對(duì)接觸面土體進(jìn)行固結(jié)，不進(jìn)行法向卸荷，待接觸面處土體豎向位移在固結(jié)法向應(yīng)力下穩(wěn)定后進(jìn)行注漿；2）先期固結(jié)法向應(yīng)力100 kPa，對(duì)接觸面土體進(jìn)行固結(jié)，待固結(jié)穩(wěn)定后分別卸荷至剪切法向應(yīng)力25、50和75 kPa 3種荷載工況，再次等待接觸面處土體在剪切法向應(yīng)力下變形穩(wěn)定后進(jìn)行注漿；3）在上述兩種加、卸荷工況下，進(jìn)行未注漿接觸面剪切對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)合計(jì)28組（注漿21組、未注漿7組）。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 加、卸荷對(duì)接觸面剪切應(yīng)力-剪切位移影響

圖2為不同注漿量、不同剪切法向應(yīng)力下歸一化剪切應(yīng)力-位移曲線。圖2中：圖例表示固結(jié)法向應(yīng)力σ0-剪切法向應(yīng)力σn，例如，100-25表示在固結(jié)法向應(yīng)力100 kPa下，接觸面先固結(jié)，再卸荷至剪切法向應(yīng)力25 kPa下，注漿或剪切；歸一化剪切應(yīng)力的計(jì)算方法為測(cè)定的接觸面剪切應(yīng)力除以對(duì)應(yīng)的剪切法向應(yīng)力。

由圖2可以發(fā)現(xiàn)：

圖2 加、卸荷接觸面歸一化剪切應(yīng)力-位移曲線Fig. 2 Curves of interface normalized shear stress-shear displacement under loading and unloading conditions

1）對(duì)于未注漿接觸面，在同一剪切法向應(yīng)力下，卸荷工況的接觸面剪切初始線性段斜率比無(wú)卸荷工況的接觸面剪切初始線性段斜率大，即卸荷接觸面初始剪切模量大于無(wú)卸荷接觸面初始剪切模量；并且卸荷工況下的同一剪切位移對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力比無(wú)卸荷工況下的同一剪切位移對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力高。無(wú)論接觸面是否存在卸荷以及剪切法向應(yīng)力大小，未注漿接觸面的歸一化剪切應(yīng)力在整個(gè)剪切過(guò)程中都小于1；歸一化剪切應(yīng)力隨著剪切法向應(yīng)力的增大而減小，即接觸面剪切應(yīng)力在整個(gè)剪切過(guò)程中始終小于對(duì)應(yīng)的剪切法向應(yīng)力，并且隨著剪切法向應(yīng)力的增大，剪切應(yīng)力與剪切法向應(yīng)力的差值逐漸增大。

2）對(duì)于注漿接觸面，在同一剪切法向應(yīng)力和注漿量下，接觸面初始剪切模量基本一致，即注漿可消除由于卸荷產(chǎn)生的接觸面初始剪切模量差異。在同一注漿量下，當(dāng)剪切法向應(yīng)力較小時(shí)，注漿接觸面初始剪切模量要明顯高于未注漿接觸面初始剪切模量，注漿接觸面的歸一化剪切應(yīng)力大于1，并且卸荷工況下的注漿接觸面峰值剪切應(yīng)力高于無(wú)卸荷工況下的注漿接觸面對(duì)應(yīng)的峰值剪切應(yīng)力；隨著剪切法向應(yīng)力的增大，注漿與未注漿接觸面初始剪切模量差異逐漸縮小，注漿接觸面的歸一化剪切應(yīng)力逐漸減小至小于1，而接觸面卸荷與否則對(duì)注漿接觸面峰值剪切應(yīng)力影響逐漸減小。但是無(wú)論剪切法向應(yīng)力大小，注漿接觸面的歸一化剪切應(yīng)力始終大于未注漿接觸面的歸一化剪切應(yīng)力，即注漿能夠顯著改善接觸面剪切力學(xué)特性。未注漿接觸面歸一化剪切應(yīng)力-剪切位移曲線未出現(xiàn)軟化；注漿接觸面歸一化剪切應(yīng)力-剪切位移曲線呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象，并且軟化出現(xiàn)在剪切法向應(yīng)力較小及存在卸荷的接觸面剪切過(guò)程中。

3）在同一剪切法向應(yīng)力下，注漿接觸面歸一化峰值剪切應(yīng)力隨著注漿量的增大而增大，但增大幅度隨著注漿量增大而逐漸降低。即隨著注漿量的增大，單位注漿量漿液對(duì)接觸面剪切特性的改善效果逐漸減弱。因此，在實(shí)際注漿過(guò)程中，不能僅靠增大注漿量來(lái)改善土與結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性。

分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，從能量角度，接觸面在固結(jié)法向應(yīng)力作用下可以視為能量累計(jì)的過(guò)程，卸荷至剪切法向應(yīng)力可視為能量釋放的過(guò)程[6]。因此，對(duì)于未注漿接觸面，在同一剪切法向應(yīng)力下，由于卸荷接觸面經(jīng)歷了先期法向應(yīng)力的固結(jié)積累能量，然后卸荷至與無(wú)卸荷接觸面相同的剪切法向應(yīng)力下進(jìn)行剪切，雖然卸荷會(huì)導(dǎo)致能量的釋放，但是由于土體變形的非線性特性，卸荷的接觸面的密實(shí)度及接觸面處積累的總能量必然高于無(wú)卸荷接觸面的密實(shí)度及接觸面處積累的總能量；在后續(xù)剪切過(guò)程中，卸荷接觸面剪切特性優(yōu)于無(wú)卸荷接觸面剪切特性。對(duì)于注漿接觸面，由于漿液對(duì)接觸面土體具有滲透、壓密等特性，從而改善接觸面土體的剪切力學(xué)特性，故注漿接觸面剪切力學(xué)特性要優(yōu)于未注漿接觸面剪切力學(xué)特性。因此，對(duì)于同一剪切法向應(yīng)力下的接觸面，卸荷工況的接觸面比無(wú)卸荷工況接觸面的土體密實(shí)度高。一般而言，密實(shí)度越高的土體，漿液更不易發(fā)生滲透，使得在同一注漿壓力和注漿量下，無(wú)卸荷工況接觸面注入到接觸面處的漿液發(fā)生滲透注漿形成漿土混合體的比例，高于卸荷工況接觸面的比例；在卸荷接觸面處水泥漿液將產(chǎn)生壓密注漿效應(yīng)，在混凝土板上形成注漿體，注漿體與光滑混凝土板結(jié)合可以視為增加了接觸面的粗糙度。因此，對(duì)于卸荷接觸面，注入漿液，通過(guò)增大接觸面混凝土板的粗糙度，改善接觸面剪切特性；對(duì)于無(wú)卸荷接觸面，注入漿液，形成漿土混合體，土與結(jié)構(gòu)物接觸面的剪切特性與土體本身的力學(xué)特性有較大的關(guān)聯(lián)性，通過(guò)接觸面處土體特性的改善，從而改善剪切特性。因此，注漿可逐漸消除由于加、卸荷產(chǎn)生的接觸面剪切力學(xué)特性差異。文獻(xiàn)[5]研究表明，接觸面軟化現(xiàn)象更可能出現(xiàn)在較大粗糙度與卸荷程度較大的接觸面處，這與本文注漿接觸面試驗(yàn)軟化現(xiàn)象一致。這也驗(yàn)證了注入漿液，通過(guò)增大接觸面混凝土板的粗糙度，改善了卸荷接觸面的剪切特性。

2.2 加、卸荷對(duì)接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

根據(jù)接觸面剪切應(yīng)力-位移曲線，得到不同荷載工況和注漿量下的接觸面峰值剪切應(yīng)力，見表2、3。

表2 無(wú)卸荷接觸面峰值剪切應(yīng)力Tab. 2 Peak shear stress of the normal loading interface

表3 卸荷接觸面峰值剪切應(yīng)力Tab. 3 Peak shear stress of the uloading interface

由表2、3可見接觸面峰值剪切應(yīng)力和剪切法向應(yīng)力之間關(guān)系，并進(jìn)行摩爾-庫(kù)倫線性擬合，擬合表達(dá)式如下：

式中，σn和τp分別為接觸面剪切法向應(yīng)力和峰值剪切應(yīng)力，φ和ca分別為接觸面等效內(nèi)摩擦角和等效黏聚力。

擬合接觸面峰值剪切應(yīng)力與剪切法向應(yīng)力如圖3所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn)，加、卸荷條件下，無(wú)論接觸面注漿與否，其峰值剪切應(yīng)力和剪切法向應(yīng)力之間均很好地滿足摩爾-庫(kù)倫線性破壞準(zhǔn)則。

圖3 接觸面峰值剪切應(yīng)力-剪切法向應(yīng)力擬合曲線Fig. 3 Fitting curves of interface peak shear stress-applied normal stress

從擬合的線性表達(dá)式可以得到接觸面等效黏聚力和等效內(nèi)摩擦角，見表4。由表4可見：與未注漿接觸面相比，注漿接觸面等效黏聚力得到顯著提升，并且接觸面等效黏聚力隨著注漿量的增大而增大；當(dāng)接觸面存在卸荷工況時(shí)，注漿接觸面等效黏聚力與未注漿接觸面等效黏聚力的比值隨著注漿量的增大分別為2.05、2.69和4.39；當(dāng)接觸面不存在卸荷工況時(shí)，注漿接觸面等效黏聚力與未注漿接觸面等效黏聚力的比值隨著注漿量的增大分別為4.47、6.79和7.75。因此，同一注漿量下，漿液對(duì)無(wú)卸荷接觸面等效黏聚力的改變效果要優(yōu)于卸荷工況下的接觸面等效黏聚力，這與第2.1節(jié)中描述的在無(wú)卸荷工況下，漿液接觸面土體內(nèi)滲透效應(yīng)相一致。漿液滲透改變了土體本身力學(xué)特性，從而與混凝土接觸面相互作用，達(dá)到更大的等效黏聚力。無(wú)論加、卸荷工況，不同注漿量下的注漿接觸面等效內(nèi)摩擦角與未注漿接觸面等效內(nèi)摩擦角均在30°左右波動(dòng)，因此，可以認(rèn)為注漿對(duì)接觸面等效內(nèi)摩擦角的改變影響不大。同一注漿量下，不同加、卸荷接觸面等效黏聚力數(shù)值基本相一致，等效內(nèi)摩擦角也無(wú)明顯差異。因此，在漿液的作用下，注漿可逐漸消除由于加、卸荷產(chǎn)生的接觸面剪切特性差異。

表4 接觸面等效黏聚力和內(nèi)摩擦角Tab. 4 Interface equivalent cohesive force and internal friction angle

綜上所述，漿液在接觸面處土體內(nèi)主要發(fā)生滲透和壓密效應(yīng)，而滲透注漿對(duì)土體顆粒內(nèi)部的框架結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響，漿液顆粒填充于土顆粒與土顆粒之間孔隙部分，故而，對(duì)接觸面等效內(nèi)摩擦角沒有產(chǎn)生明顯影響[18,22]。而壓密效應(yīng)在混凝土板表面形成的漿液塊體相當(dāng)于增加了接觸面的粗糙度，陳俊樺等[23]研究結(jié)果表明，接觸面粗糙度對(duì)土-混凝土接觸面等效內(nèi)摩擦角無(wú)明顯影響。故對(duì)于發(fā)生滲透和壓密注漿的土與結(jié)構(gòu)物接觸面而言，其等效內(nèi)摩擦角基本不隨注漿工況的改變而變化。接觸面等效黏聚力包含土顆粒間的黏聚力和土顆粒與混凝土表面顆粒間的黏聚力作用，并且后者相對(duì)較小，漿液滲透進(jìn)入土體內(nèi)部過(guò)程中，改變了土顆粒之間的黏聚作用，從而提高了接觸面等效黏聚力，這與文獻(xiàn)[18,22]得出的結(jié)論較為一致。

2.3 加、卸荷對(duì)接觸面剪切影響范圍的影響

土與結(jié)構(gòu)物接觸面發(fā)生剪切時(shí)，結(jié)構(gòu)物表面往往會(huì)帶動(dòng)周圍一定的土體而形成一個(gè)剪切錯(cuò)動(dòng)帶[24]（圖1）。本試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定剪切錯(cuò)動(dòng)帶評(píng)定不同加、卸荷工況下的注漿砂土-混凝土接觸面剪切過(guò)程中形成的接觸面剪切影響范圍，圖4為加、卸荷工況下接觸面水平和垂直剪切影響范圍隨接觸面剪切法向應(yīng)力的變化曲線。

圖4 剪切影響范圍隨剪切法向應(yīng)力變化曲線Fig. 4 Curves of interface shearing influence range-applied normal stress

從圖4（a）可以看出：注漿接觸面水平剪切影響范圍明顯高于未注漿接觸面水平剪切影響范圍，并且注漿量的增長(zhǎng)對(duì)接觸面水平剪切影響范圍的變化不明顯；卸荷工況下的接觸面水平剪切影響范圍略大于無(wú)卸荷工況下的接觸面水平剪切影響范圍；接觸面水平剪切影響范圍與接觸面達(dá)到峰值剪切應(yīng)力對(duì)應(yīng)的剪切位移基本一致。從圖4（b）可以看出：接觸面垂直剪切影響范圍與注漿量變化關(guān)系同接觸面水平剪切影響范圍與注漿量變化關(guān)系基本一致，但是接觸面垂直剪切影響范圍明顯高于接觸面水平剪切影響范圍；無(wú)論加、卸荷和注漿工況變化，接觸面水平和垂直剪切影響范圍均與接觸面剪切法向應(yīng)力近似呈線性關(guān)系，與接觸面峰值剪切應(yīng)力與剪切法向應(yīng)力關(guān)系相一致。因此，可以認(rèn)為接觸面水平和垂直剪切影響范圍與接觸面峰值剪切應(yīng)力呈正相關(guān)。

綜上，并根據(jù)劉豐銘[25]研究發(fā)現(xiàn)，在樁基礎(chǔ)中，根據(jù)剪切位移法，樁側(cè)土體在發(fā)揮側(cè)摩阻力過(guò)程時(shí)會(huì)帶動(dòng)樁周一定范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生變形，樁側(cè)剪切影響范圍rm滿足：

式中：τ0為樁側(cè)摩阻力；r0為樁體半徑；G0為土體初始剪切模量；η為一極小值，可通過(guò)試驗(yàn)確定，Randolph[26]建議η的取值范圍為1×10-7～1×10-5。在樁身半徑和土體確定的情況下，剪切影響范圍rm與樁側(cè)摩阻力τ0呈正相關(guān)。

直剪試驗(yàn)中，通過(guò)土與混凝土板的相互作用，可用于模擬樁身與樁側(cè)土體之間的相互作用。因此，實(shí)際工程中，描述樁側(cè)剪切影響范圍關(guān)系的式（2），亦可用于解釋土與混凝土接觸面剪切試驗(yàn)形成的剪切影響范圍分布關(guān)系。但此時(shí)，樁側(cè)摩阻力τ0需用直剪試驗(yàn)中的接觸面峰值剪切應(yīng)力τp代替。因此，直剪試驗(yàn)中，接觸面剪切影響范圍與接觸面峰值剪切應(yīng)力呈正相關(guān)。

3 結(jié) 論

本文采用自主研發(fā)的注漿設(shè)備和剪切設(shè)備開展了3種注漿量和4種不同加、卸荷工況下的注漿砂土-混凝土接觸面剪切試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同加、卸荷工況對(duì)注漿和未注漿接觸面剪切力學(xué)特性以及剪切影響范圍的影響，得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于未注漿接觸面，在同一剪切法向應(yīng)力下，卸荷工況的接觸面初始剪切模量大于無(wú)卸荷工況的接觸面初始剪切模量；而注漿接觸面初始剪切模量要高于未注漿接觸面初始剪切模量，并且二者差值隨著剪切法向應(yīng)力的增大逐漸縮??；注漿可逐漸消除由于加卸荷產(chǎn)生的接觸面初始剪切模量差異。

2）未注漿接觸面歸一化剪切應(yīng)力-位移曲線未出現(xiàn)軟化；注漿接觸面歸一化剪切應(yīng)力-位移曲線呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象，并且軟化出現(xiàn)在剪切法向應(yīng)力較小及卸荷的接觸面剪切過(guò)程中。在同一剪切法向應(yīng)力下，注漿接觸面峰值剪切應(yīng)力隨著注漿量的增大而增大，但增大幅度隨著注漿量增大而逐漸降低。

3）無(wú)論接觸面是否注漿，以及是否存在加、卸荷工況，其峰值剪切應(yīng)力與剪切法向應(yīng)力之間均滿足摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則；與未注漿接觸面相比，注漿接觸面等效黏聚力得到顯著提升，并且接觸面等效黏聚力隨著注漿量的增大而增大，但注漿對(duì)接觸面等效內(nèi)摩擦角無(wú)明顯影響；同一注漿量下，漿液對(duì)無(wú)卸荷接觸面等效黏聚力的改變效果優(yōu)于卸荷接觸面。

4）注漿接觸面水平和垂直剪切影響范圍均明顯高于未注漿接觸面，并且注漿量的增長(zhǎng)對(duì)接觸面剪切影響范圍的變化影響不明顯；卸荷工況下的接觸面剪切影響范圍略大于無(wú)卸荷工況下的接觸面剪切影響范圍；在加、卸荷和注漿工況下，接觸面剪切影響范圍與接觸面峰值剪切應(yīng)力呈正相關(guān)。

5）對(duì)于卸荷接觸面，注入漿液，通過(guò)增大接觸面混凝土板的粗糙度來(lái)改善接觸面剪切特性；對(duì)于無(wú)卸荷接觸面，注入漿液，形成漿土混合體，通過(guò)改善接觸面處土體特性來(lái)體現(xiàn)對(duì)剪切特性的改善。