土體與混凝土界面剪切特性試驗研究

梁冬冬

(中鐵十八局集團第三工程有限公司 ,河北 涿州 072750)

長期以來,諸多學者都對土體與結構間的剪切性能進行了大量研究:為研究含水率對非飽和砂土抗剪強度的影響,王瑞等[1]對多種不同含水率、法向應力條件下的海洋黏土-混凝土界面進行了剪切試驗,指出海洋黏土含水率越低,土體剪切帶面積越大。王永洪等[2]基于自行研制大型界面剪切儀器設備,研究不同剪切速率下黏土與混凝土界面的剪切應力變化特征,試驗考慮了超孔隙水壓力和法向應力的影響,研究結果指出剪切速率明顯影響界面的剪切峰值強度,剪切速率增加使得剪切曲線出現應變軟化現象。為了揭示不同混凝土頂管-砂土接觸面剪切摩擦特性,李天降等[3]采用直剪試驗研究了5種砂土在不同法向應力、不同剪切速率及不同潤滑狀態下與混凝土管接觸面的摩擦特性。為了探討結構物表層粗糙度對樁-土界面剪切特性的影響及其規律,汪優等[4]采用ZJ型應變控制式直剪儀進行混凝土樁-黏土接觸面直剪試驗,定量分析了粗糙度對界面的剪切破壞及變形的影響。王俊杰等[5]基于改進的室內剪切試驗,對砂巖泥巖混合料與混凝土界面展開了直接剪切試驗,觀測不同混凝土粗糙度條件下剪切應力應變關系,指出土體與結構物的接觸存在峰值剪切應力和殘余剪切應力。

綜上所述,目前已有的研究多以單一土體為主,不同土體與混凝土界面的剪切力學特性仍需進一步研究。本文選取多種土體進行直剪試驗,對土體不同含水率及不同法向應力條件下土體與混凝土界面的剪切規律進行研究,從而為不同土體的側阻力分析提供參考。

1 剪切試驗

1.1 試驗儀器

本次試驗選用DZJ-1大型直剪儀,直剪儀主機由安裝有主氣缸、輔助氣缸的封閉框式主機、氣壓伺服控制系統、上下剪切盒、傳力板、透水板、開縫板、導軌、輔助臺等組成。測量系統由法向荷載傳感器、傳感器、垂直位移計、水平位移計等組成。剪切盒尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。直剪儀如圖1所示。

圖1 DZJ-1型大型直剪儀

1.2 試驗材料

試驗所用的土樣包括中粗砂、粉細砂、淤泥及砂質泥巖,試樣取自佛山高明幸福樓片區道路改造工程,各試樣參數如表1所示。

表1 試驗土基本物理性質

1.3 試驗方案

直剪試驗采用應變控制式、固結不排水,剪切速率設置為1 mm/min。為研究不同土體、不同法向應力、不同含水率對界面抗剪性質的影響,本試驗選取4種單一土體,分別在4種不同含水率、3種法向應力條件下進行剪切試驗,共計48組試驗。在采用淤泥和砂質泥巖為試驗對象時,在高含水率條件下,土體強度大幅降低,在施加較高法向應力條件下,土體從剪切盒開縫中大量擠出,導致試驗無法進行,故將該工況下的法向應力分別調整為25、50、75 kPa及50、100、150 kPa,試驗工況設置如表2所示。

表2 試驗工況

依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)中的方法預先配置重塑土體,通過風干、粉碎、過篩3道工序,通過控制土樣干密度以及添加不同質量水的方法配置工況中所述含水率的土樣,配置過程中需要充分攪拌土體,確保土體與水充分接觸,配置完畢后,將土體在恒溫密封條件下靜置24 h,從而保證土體均勻含水。

試驗開始之前,首先在下剪切盒中裝入預制好的混凝土塊,隨后分層向剪切盒中裝入土樣,共分5層裝入土體,每層土體需擊實。在使用擊實器擊實時,振動過大可能使高含水率的土樣發生液化,而且其擊實的沖擊力可能大于預設的法向應力,從而導致土體結構過度緊實,影響試驗結果。故先采用人工擊實,主要使土體在剪切盒內均勻分布,在裝入下一層土體之前進行刮毛,從而確保各層土體之間的咬合性及完整性。當所有土體裝填擊實完畢后,再通過直剪儀對預設土壓力進行固結,當其法向位移變化速率小于0.5 mm/min時,開始進行剪切。每組試驗過程中每6 s采集一次數據,其記錄的數據包括剪應力、剪切位移、法向應力、法向位移等。在試驗結束后,觀察界面剪切情況。

2 試驗結果分析

2.1 剪切應力-剪切位移曲線變化規律

2.1.1 不同土質對剪切應力的影響

15%含水率條件下不同土樣在法向應力為100 kPa時的剪應力-剪切位移曲線如圖2所示。由圖2可知,在法向應力100 kPa、15%含水率條件下,中粗砂以及粉細砂這類無黏性土,其土-混凝土界面剪應力隨剪切位移的增大,剪應力先快速增加,然后在較小的剪切位移范圍內迅速趨近于某一值,其變化規律近似于雙曲線;對于淤泥以及砂質泥巖這類黏性土,其與混凝土界面間的剪切特性與中粗砂和粉細砂有較大的區別,隨著剪切位移增加,在經歷過一段快速增長的階段后,會出現一個較為明顯的拐點,在拐點后,剪應力的增長速度會放緩,但其放緩的幅度有限,并未迅速趨近于某一常數,在剪應力緩慢增長的過程中,其增長速率會降低。淤泥以及砂質泥巖的剪應力在剪切位移達到20 mm時,其剪應力較中粗砂和粉細砂偏大。不同土樣與混凝土界面的剪應力由大到小依次為:淤泥、砂質泥巖、中粗砂、粉細砂。

圖2 15%含水率條件下不同土樣的剪切應力-剪切位移曲線

2.1.2 不同含水率對剪切應力的影響

不同含水率條件下不同土樣在法向應力為100 kPa時的剪應力-剪切位移曲線如圖3所示。由圖3可知,在法向應力100 kPa條件下,土體的含水率不僅影響土體自身強度,另外對土和結構界面的剪切特性也會產生一些影響。對不同的土體,在含水率提高后,其界面的剪應力都出現了不同程度的下降,淤泥和砂質泥巖在同一法向應力條件下,界面受到含水率影響較大,其剪應力出現了較大幅度的下降,下降的幅度約為8～25 kPa;中粗砂和粉細砂在同一法向應力條件下,隨著含水率的提高,界面的剪應力出現下降,降低的幅度約為2～4 kPa,說明淤泥及砂質泥巖這類黏性土的界面強度對水的敏感性遠大于砂。

圖3 不同含水率條件下不同土樣的剪切應力-剪切位移曲線

從多個不同含水率條件下的中粗砂、粉細砂、淤泥以及砂質泥巖的剪應力-剪切位移曲線來看,其界面剪應力-剪切位移曲線整體呈現為硬化型,即伴隨著剪切位移的增大,其剪應力始終呈現增大的趨勢,這可能是由于隨著法向應力的施加以及滑動面的錯動,其界面附近的土體愈發密實,從而導致剪應力的提高。

2.1.3 不同法向應力對剪切應力的影響

以中粗砂與粉細砂為例,不同法向應力條件下中粗砂和粉細砂剪應力-剪切位移曲線如圖4所示。由圖4可知,在含水率固定不變的條件下,界面的最大剪應力隨著法向應力的提高而提高。其原因在于,在低法向應力條件下,土體顆粒間咬合作用相對較弱,土顆粒間的相對位置易發生改變,在剪切過程中,可能在剪切面上還存在局部的滾動摩擦現象,因此其抗剪切作用較弱;隨著法向應力的提高,一方面土體變得更加密實,另一方面土體與混凝土界面貼合也更加緊密,其摩擦效果被加強,因此最大剪應力將出現大幅度的提高。在200 kPa和300 kPa的法向應力作用下,粉細砂的剪應力-剪切位移曲線逐步變為軟化型,即曲線在經歷峰值后,剪應力出現回落,這可能是由于在高法向應力條件下,砂中的水被排出,在接觸面上形成的水膜厚度變厚,從而導致潤滑作用也增強,造成界面間的摩阻力變小,即由于孔隙水壓力增強導致有效應力下降,從而降低了抗剪強度。

圖4 不同法向應力條件下中粗砂和粉細砂的剪切應力-剪切位移曲線

2.2 界面抗剪強度的變化規律

把本文試驗里各種土體的峰值剪切應力或最大剪應力和法向應力的關系展開線性擬合,詳見圖5。擬合曲線的相關系數R2均大于0.99,擬合度比較高,界面破壞形式滿足Mohr-Coulomb破壞準則要求,即τ=σtanφ+c。式中:τ為抗剪強度(kPa);σ為法向應力(kPa);φ為內摩擦角(°);c為黏聚力(kPa)。

圖5 不同土樣界面抗剪強度隨含水率變化曲線

由圖5可知,在土體處于相同的法向應力條件下時,含水率的變化會對界面的抗剪強度產生一定影響。對于中粗砂和粉細砂,伴隨著含水率的提高,其界面的抗剪強度將出現略微的下降,其下降幅度很小,且在不同的法向應力下,抗剪強度均呈現出相同的變化趨勢。而對于淤泥和砂質泥巖,在低法向應力條件下(100 kPa)伴隨著含水率的提高,其界面抗剪強度呈現出下降的趨勢,但其下降的幅度較小;而在較高的法向應力條件下(200 kPa、300 kPa),當含水率處于較低水平時,隨著含水率的提高,界面抗剪強度出現了小幅的下降,但當含水率超過某一值后,界面抗剪強度的下降速率將陡然提升。其原因在于低法向應力條件下,土體尚未被壓實,在含水率提高的過程中土體中的水多以結合水的形式儲存在土體顆粒的間隙中,只有較少部分的水在界面上形成水膜,從而誘發了抗剪強度的小幅下降;在高法向應力條件下,土體的體積被大幅壓縮,大量的水分被排出到界面上,從而導致界面抗剪強度的下降速率提高。

2.3 界面抗剪強度參數的變化規律

不同土樣、不同含水率條件下界面抗剪強度參數如表3所示。

表3 不同含水率條件下土體抗剪強度參數

2.3.1 黏聚力

由表3可知,中粗砂和粉細砂界面的黏聚力始終小于l0 kPa,處于一個較低的水平,且隨著含水率的變化,黏聚力變化的幅度僅為2 kPa左右,說明了砂-混凝土界面的強度主要由二者間的摩擦所提供,受黏聚力影響很小,因此可以考慮將摩擦力近似地看作砂-混凝土界面間的抗剪強度。

淤泥和砂質泥巖的黏聚力,隨著含水率的提高呈現先增加后減小的趨勢,這是由于提高含水率后,土體中水的吸附作用不斷增大,且土體的密度增大,從而導致黏聚力逐步增大;當含水率達到某一值后,土體顆粒間的結合水膜厚度增大,水壓力的作用大于吸附作用,因此黏聚力開始下降。對比表1中試驗數據可知,黏聚力峰值位于土體的塑限附近。

2.3.2 內摩擦角

由表3可知,隨著含水率的提高,土與界面間的潤滑作用增強,因此中粗砂和粉細砂界面的內摩擦角都呈現略微下降的趨勢,內摩擦角分別處于35～38°和29～32°,說明中粗砂和粉細砂的內摩擦角受含水率影響的敏感度較低,即水對于土體顆粒和混凝土界面間摩擦的影響有限。

對于淤泥和砂質泥巖,其界面內摩擦角受含水率影響的敏感度較高,伴隨著含水率的提高,其內摩擦角先快速下降,之后下降的速率又放緩。這是由于含水率提高以后,水填滿土顆粒之間的空隙,顆粒間之間的摩擦作用下降,最終導致內摩擦角下降,當土顆粒周邊均被水填充后,各處的土體和混凝土界面間都將受到水的影響,此時內摩擦角達到最小值,之后雖然含水率仍在提高,但多余的水分會被排出,對內摩擦角將不再產生影響。

3 結論

(1)對于砂土、淤泥和砂質泥巖,土-混凝土界面的抗剪強度呈現出隨法向應力增大而增大、隨含水率增大而降低的情況。

(2)砂土-混凝土界面的內摩擦角往往隨著砂土含水率的增大而減小,黏聚力則始終處于較低的水平,說明對砂土而言,土-混凝土界面的強度主要是由土與界面間的摩擦提供,黏聚力的作用較小。因此混凝土結構在砂土中的摩阻力可近似的看作是砂土與結構之間的摩擦力。

(3)對于淤泥和砂質泥巖而言,土-混凝土界面的內摩擦角隨著含水率的增大而降低,而黏聚力隨著含水率的增大先增大后減小,同時淤泥和砂質泥巖界面的黏聚力始終較大,故在分析該類型土體與混凝土的摩阻力時不能單純的看作是摩擦力作用,而應該是摩擦力與黏聚力的復合作用。