相對(duì)密實(shí)度對(duì)鋼-砂界面循環(huán)剪切弱化影響研究

陳健偉,劉俊偉,*,國(guó) 振,陳建強(qiáng),寇媛媛,姜正璟,鞏光磊

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525;2.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,杭州 310058;3.青島海德工程集團(tuán)股份有限公司,青島 266100)

近年來風(fēng)能已成為可再生能源供應(yīng)的重要力量[1],我國(guó)水深小于30 m范圍內(nèi)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式絕大多數(shù)為單樁[2]。隨著海洋開發(fā)力度加大,深水區(qū)應(yīng)用單樁基礎(chǔ)成本過高,吸力式桶形基礎(chǔ)成為更優(yōu)的選擇[3]。吸力式多桶基礎(chǔ)在風(fēng)、浪、流產(chǎn)生的傾覆荷載作用下以軸向循環(huán)受荷為主,我國(guó)濱海地區(qū)多為砂土,因此進(jìn)行鋼-砂界面循環(huán)弱化的研究具有重要意義。

針對(duì)鋼-砂界面的剪切弱化特性,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究[4-7]。趙文等[8]通過可視化直剪容器進(jìn)行了不同相對(duì)密實(shí)度礫砂-混凝土管界面直剪試驗(yàn),揭示了相對(duì)密實(shí)度對(duì)界面剪切力學(xué)特性的影響。王超眾[9]開展了不同相對(duì)密實(shí)度尾砂-塑料土工格柵界面剪切試驗(yàn),研究了界面強(qiáng)度特性以及剪脹剪縮特性。梁越等[10]在盒式剪切儀中進(jìn)行了鋼-土界面直剪和往復(fù)剪切試驗(yàn),探究了不同泥巖干密度對(duì)界面強(qiáng)度的影響。上述研究通過界面剪切試驗(yàn)探究了砂土相對(duì)密實(shí)度對(duì)界面強(qiáng)度的影響,但相對(duì)密實(shí)度對(duì)鋼-砂界面循環(huán)弱化的影響機(jī)制還有待深入分析。

本文利用自主研發(fā)的大型界面環(huán)剪儀[5],開展了不同相對(duì)密實(shí)度條件下鋼-砂界面循環(huán)剪切試驗(yàn),探討相對(duì)密實(shí)度對(duì)界面力學(xué)特性循環(huán)弱化的影響,分析界面循環(huán)弱化機(jī)制。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)裝置

環(huán)剪儀由應(yīng)力加載系統(tǒng)、界面剪切系統(tǒng)、剪切傳動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)控制與采集系統(tǒng)4個(gè)部分組成,如圖1所示。剪切方式為下界面剪切,剪切外環(huán)為鋼化玻璃。數(shù)據(jù)控制與采集系統(tǒng)可調(diào)整剪切模式及參數(shù)并記錄剪切應(yīng)力、法向應(yīng)力和法向位移等參數(shù)。

1.2 砂土

循環(huán)剪切試驗(yàn)采用的石英砂選自福建標(biāo)準(zhǔn)砂,物理參數(shù)如表1所示。為排除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,只選用0.25～0.5 mm粒徑砂土。由于干砂與飽和砂土在排水狀態(tài)時(shí)的剪切特性極為相似[11],因此選用干砂進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 砂土物理參數(shù)

1.3 鋼界面

環(huán)剪儀底環(huán)采用鋼界面,鋼環(huán)內(nèi)徑為200 mm,外徑為300 mm,界面粗糙度控制為(3.25±0.1) μm。材質(zhì)選用美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)1045號(hào)鋼,抗拉強(qiáng)度為600 MPa,彈性模量為210 GPa。

1.4 試驗(yàn)方案

采用等剛度邊界條件研究砂土相對(duì)密實(shí)度對(duì)界面力學(xué)特性循環(huán)弱化的影響。循環(huán)剪切幅值設(shè)置為2 mm,剪切速度為5 mm/min,循環(huán)次數(shù)N=20次。考慮10 m深度處土體應(yīng)力,初始法向應(yīng)力設(shè)定為100 kPa,法向剛度為197 kPa/mm[12]。

在剪切外環(huán)的內(nèi)表面粘貼透明刻度尺貼紙,采用砂雨法以不同高度和移速控制砂土相對(duì)密實(shí)度。共進(jìn)行3組試驗(yàn),根據(jù)相對(duì)密實(shí)度砂土分為松散砂(Dr=26%)、中密砂(Dr=45%)、密實(shí)砂(Dr=64%)。由于裝樣后剪切開始前應(yīng)力加載系統(tǒng)會(huì)對(duì)砂樣有一定程度的壓實(shí),因此將Dr=64%砂土近似認(rèn)為密實(shí)狀態(tài)。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖2為鋼-砂界面的剪切應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線。為清晰展現(xiàn)鋼-砂界面循環(huán)剪切弱化規(guī)律,僅選取循環(huán)次數(shù)N=1,2,5,10,20次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象。

由圖2(a)可知,當(dāng)Dr=26%時(shí),第1次循環(huán)結(jié)束時(shí)剪應(yīng)力即衰減到穩(wěn)定狀態(tài)。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的剪應(yīng)力極值分別為40.88,18.38,16.72,15.24,14.56 kPa,剪應(yīng)力弱化主要發(fā)生在第1次循環(huán),經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到1.7%。由圖2(b)可知,當(dāng)Dr=45%時(shí),第5次循環(huán)剪切過程剪應(yīng)力才衰減到穩(wěn)定狀態(tài)。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的剪應(yīng)力極值分別為54.03,34.69,17.20,14.71,14.19 kPa,剪應(yīng)力弱化主要發(fā)生在前5次循環(huán),經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到1.0%。由圖2(c)可知,當(dāng)Dr=64%時(shí),第1次循環(huán)的滯回曲線比較飽滿,從第2—20次循環(huán),滯回環(huán)由“梭形”向“平行四邊形”轉(zhuǎn)變。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的剪應(yīng)力極值分別為63.12,50.68,39.67,30.63,23.54 kPa,剪應(yīng)力在前20次循環(huán)不斷發(fā)生弱化,且隨循環(huán)次數(shù)增加弱化速率不斷減小,經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到11.2%。

不同相對(duì)密實(shí)度砂土都在每次循環(huán)的正位移幅值處達(dá)到剪應(yīng)力極值,第5次循環(huán)之后滯回曲線基本處于閉合狀態(tài),其最終形狀向“平行四邊形”演變。隨著循環(huán)次數(shù)的增加剪應(yīng)力不斷弱化,弱化速率不斷減小。隨著相對(duì)密實(shí)度的增加,前5次循環(huán)中相同循環(huán)下剪應(yīng)力極值增大,剪應(yīng)力的弱化程度降低,循環(huán)剪切的弱化作用減小,第1次循環(huán)的剪應(yīng)力衰減速率減小。松散砂的剪應(yīng)力弱化主要發(fā)生在第1次循環(huán),中密砂主要發(fā)生在前5次循環(huán),密實(shí)砂在前20次循環(huán)剪應(yīng)力不斷弱化。砂土越密實(shí),剪應(yīng)力-剪切位移曲線越飽滿,“梭形”滯回環(huán)所占的比例越高。

循環(huán)剪切作用破壞砂土的原有骨架結(jié)構(gòu),砂顆粒位置調(diào)整與磨損、破碎過程同時(shí)進(jìn)行,直到形成適應(yīng)循環(huán)剪切過程的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)。松散砂在循環(huán)剪切前未形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),砂顆粒主要以層狀方式排布,砂樣孔隙率很大。剪切開始后,砂顆粒位置劇烈調(diào)整,大孔隙率讓顆粒調(diào)整更加迅速,骨架結(jié)構(gòu)更易形成,經(jīng)歷1次循環(huán)剪應(yīng)力即衰減到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于中密砂來說,砂樣的骨架結(jié)構(gòu)在剪切前具有一定的穩(wěn)定性,砂顆粒上、下交錯(cuò)分布,顆粒間具有較強(qiáng)的咬合力和嵌鎖作用,初始骨架可以承受一定的剪切應(yīng)力,砂顆粒調(diào)整需要更多的剪切過程,同時(shí)中密砂的孔隙率較松散砂小,因此骨架穩(wěn)定需要5次循環(huán),第1次循環(huán)的剪應(yīng)力極值比松散砂大。密實(shí)砂的孔隙率更小,砂樣初始骨架更加穩(wěn)定,因此前20次循環(huán)剪應(yīng)力不斷弱化,未形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu),第1次循環(huán)的剪應(yīng)力極值最大。

2.2 法向應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

圖3為鋼-砂界面的法向應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線。

由圖3(a)可知,當(dāng)Dr=26%時(shí),第1次循環(huán)結(jié)束時(shí)法向應(yīng)力即衰減到穩(wěn)定狀態(tài)。第1次循環(huán)的法向應(yīng)力-剪切位移曲線成“之”字形。從第2—20次循環(huán),不同循環(huán)的法向應(yīng)力-剪切位移曲線幾乎重合,曲線大致呈對(duì)稱“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的法向應(yīng)力分別為70.84,21.56,21.99,18.11,18.49 kPa,法向應(yīng)力弱化主要發(fā)生在第1次循環(huán),第2次循環(huán)弱化速率為0.6%,經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到0.5%。由圖3(b)可知,當(dāng)Dr=45%時(shí),第5次循環(huán)剪切過程法向應(yīng)力才衰減到穩(wěn)定狀態(tài)。從第5—20次循環(huán),法向應(yīng)力不斷小幅弱化,曲線大致呈對(duì)稱“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的法向應(yīng)力分別為89.43,53.44,21.92,16.95,15.34 kPa,法向應(yīng)力弱化主要發(fā)生在前5次循環(huán),隨著循環(huán)次數(shù)的增加弱化速率不斷減小,經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到1.8%。由圖3(c)可知,當(dāng)Dr=64%時(shí),前20次循環(huán)法向應(yīng)力不斷弱化,相鄰循環(huán)衰減幅度相近且較大。第5—20次循環(huán),關(guān)系曲線呈不對(duì)稱“蝶”形。第1,2,5,10,20次循環(huán)正位移幅值處的法向應(yīng)力分別為98.08,79.15,63.33,49.33,35.15 kPa,法向應(yīng)力在前20次循環(huán)不斷發(fā)生弱化,經(jīng)歷20次循環(huán)后弱化速率下降到14.5%。

相對(duì)密實(shí)度越大,前5次循環(huán)中相同循環(huán)后法向應(yīng)力越大,單次循環(huán)的弱化作用越小,第1次循環(huán)的法向應(yīng)力衰減速率越小。松散砂的法向應(yīng)力弱化主要發(fā)生在第1次循環(huán),中密砂主要發(fā)生在前5次循環(huán),密實(shí)砂在前20次循環(huán)不斷弱化。此外,在法向應(yīng)力衰減到穩(wěn)定狀態(tài)之前,相對(duì)密實(shí)度越小,同一循環(huán)的法向應(yīng)力-剪切位移曲線越伸展,法向應(yīng)力弱化程度越高。砂土越密實(shí),不對(duì)稱“蝶”形曲線所占的比例越高,法向應(yīng)力弱化到穩(wěn)定狀態(tài)需要的循環(huán)次數(shù)越多。

根據(jù)圖2和圖3可以看出,法向應(yīng)力的改變是影響界面剪應(yīng)力大小的重要因素。法向應(yīng)力增大時(shí),砂樣剪切帶區(qū)域與鋼界面之間的正壓力增大,由滑動(dòng)摩擦原理可知,界面剪應(yīng)力增大,同理法向應(yīng)力減小時(shí)剪應(yīng)力減小。此外,法向應(yīng)力的增大、減小與砂樣法向位移變化密切相關(guān)。等剛度條件下,當(dāng)發(fā)生剪縮時(shí),剪切帶厚度和砂樣高度減小,土骨架結(jié)構(gòu)坍塌,法向應(yīng)力隨之減小,因此,法向應(yīng)力變化的根本原因是循環(huán)剪切過程中砂顆粒的位置調(diào)整、磨損和破碎引起的體積變化。

2.3 法向位移-剪切位移關(guān)系曲線

圖4為鋼-砂界面的法向位移-剪切位移關(guān)系曲線,法向位移增大表示砂樣發(fā)生剪縮。

由圖4(a)可知,當(dāng)Dr=26%時(shí),第1次循環(huán)法向位移持續(xù)增大,不同循環(huán)的法向位移-剪切位移曲線近似平行層狀分布。第1,2,5,10,20次循環(huán)結(jié)束時(shí)的法向位移分別為0.50,0.71,0.94,1.16,1.35 mm,前5次循環(huán)法向位移增長(zhǎng)量較大,法向位移隨循環(huán)次數(shù)增加不斷增大,法向位移的增長(zhǎng)速率和增長(zhǎng)幅度逐漸減小,整體表現(xiàn)為剪縮。由圖4(b)可知,當(dāng)Dr=45%時(shí),第1次循環(huán)剪切過程砂樣就開始剪脹。第1,2,5,10,20次循環(huán)結(jié)束時(shí)的法向位移分別為0.26,0.37,0.46,0.57,0.70 mm,前5次循環(huán)法向位移增長(zhǎng)量較大,所有循環(huán)都存在剪縮、剪脹同時(shí)發(fā)生的情況。由圖4(c)可知,當(dāng)Dr=64%時(shí),法向位移的變化較復(fù)雜,第1次循環(huán)剪切過程砂樣剪脹現(xiàn)象更加明顯,從第2—20次循環(huán),法向位移-剪切位移關(guān)系曲線出現(xiàn)交錯(cuò)分布。第1,2,5,10,20次循環(huán)結(jié)束時(shí)的法向位移分別為0.12,0.17,0.17,0.20,0.25 mm,前2次循環(huán)即有較大的剪縮量。

相對(duì)密實(shí)度越大,相同循環(huán)下砂土的法向位移越小,最終剪縮量也越小,砂土越不容易被壓縮擠密,第1次循環(huán)砂土剪脹所需剪切位移越小,剪脹現(xiàn)象越明顯。隨相對(duì)密實(shí)度增大,單次循環(huán)法向位移變化幅值減小,法向位移-剪切位移關(guān)系曲線由平行層狀分布向交錯(cuò)分布演變。

密實(shí)砂的法向位移變化較松散砂和中密砂更為特殊。對(duì)于松散砂和中密砂,隨著相對(duì)密實(shí)度的增加,法向位移的增長(zhǎng)幅度逐漸減小,而密實(shí)砂為先減小后增大。分析認(rèn)為,密實(shí)砂的第2—5次循環(huán)剪切過程是砂樣變化由以位置調(diào)整為主向以顆粒破碎為主的過渡階段。砂土處于松散或中密狀態(tài)時(shí),孔隙率較大,循環(huán)剪切使顆粒間距減小,法向位移逐漸增大。但由于砂樣逐漸密實(shí),位置調(diào)整逐漸困難,因此法向位移的增長(zhǎng)幅度逐漸減小。當(dāng)砂土處于密實(shí)狀態(tài)時(shí),有限的空隙只允許砂顆粒在前2次循環(huán)內(nèi)進(jìn)行位置調(diào)整。第2次循環(huán)之后,砂樣在原有粒徑條件下無法繼續(xù)密實(shí),后續(xù)的循環(huán)剪切導(dǎo)致砂顆粒邊角磨損、發(fā)生破碎,破碎后的小粒徑顆粒進(jìn)入到大粒徑顆粒形成的空隙中,砂樣繼續(xù)密實(shí),法向位移增長(zhǎng)幅度開始由小變大。

3 結(jié)論

本文利用大型界面環(huán)剪儀,開展了一系列不同相對(duì)密實(shí)度砂-鋼界面循環(huán)剪切試驗(yàn),主要結(jié)論如下:

1) 隨著相對(duì)密實(shí)度的增加,相同循環(huán)下剪應(yīng)力極值增大,單次循環(huán)的弱化作用減小,第1次循環(huán)的剪應(yīng)力衰減速率減小,剪應(yīng)力弱化到穩(wěn)定狀態(tài)需要的循環(huán)次數(shù)增加,“梭形”滯回環(huán)所占的比例增大。

2) 相對(duì)密實(shí)度越大,相同循環(huán)下法向應(yīng)力越大,第1次循環(huán)的法向應(yīng)力衰減速率越小,弱化到穩(wěn)定狀態(tài)需要的循環(huán)次數(shù)越多,不對(duì)稱“蝶”形曲線所占的比例越高。

3) 相對(duì)密實(shí)度越大,相同循環(huán)下砂土的法向位移越小,最終剪縮量也越小,第1次循環(huán)砂土剪脹越明顯。