冻砂土-结构接触面恒温循环剪切性能研究

赵联桢，陈生水，杨东全，钟启明，张宏斌

(1. 海南大学，海南海口　570228； 2. 南京水利科学研究院，江苏南京　210029)



冻砂土-结构接触面恒温循环剪切性能研究

赵联桢1,2，陈生水2，杨东全1，钟启明2，张宏斌1

(1. 海南大学，海南海口570228； 2. 南京水利科学研究院，江苏南京210029)

摘要：冻土-结构接触面是冻土区建筑基础的薄弱地带，开展人工冻土-结构接触面剪切性能研究对改善冻土区建筑的耐久性具有重要意义。运用大型冻土-结构接触面循环直剪设备对冻砂土-结构接触面在恒温条件下的循环剪切性能进行了试验研究。结果表明：(1)在第1个剪切循环的初始阶段冻土接触面会出现剪胀现象；当起始法向应力不大于500 kPa时，最大剪胀量会随着法向应力的增大而增大，而起始法向应力为700 kPa时接触面剪胀又呈减小趋势。(2)从整体趋势来看，法向位移随剪切循环的增长呈先迅速增大后缓慢增长趋势，而在每个循环内部均出现了有规律的峰状突起。(3)峰值剪应力随剪切循环的增加都呈先快后慢的减小趋势，两者之间呈双曲线关系；而且在第1个循环的初始阶段都会产生1个由冻结力和滑动摩擦共同作用而导致的剪应力最大值，最大剪应力随起始法向应力的增大而增大。

关键词：冻砂土； 接触面； 循环剪切； 恒温

无论从世界范围，还是从中国实际情况来看，冻土分布都非常广泛[1]。在冻土区的建筑结构和周围冻土体之间会形成大量的冻土-结构接触面。由于冻土独特的力学和热学特性，冻土-结构接触面和常温土-结构接触面在力学行为上存在显著不同。此外，由于冻土-结构接触面两侧材料刚度存在明显差异，此类接触面在循环荷载作用下往往会成为建筑事故多发地带。从一个较短的时间尺度内来看，冻土的温度变化速率很小，因此对冻土-结构接触面恒温剪切性能研究具有重要意义。

目前国内外学者对冻土-结构接触面的研究还不太成熟，现将该领域有代表性的研究成果归纳如下。与常温土-结构接触面[2]相比，冻土-结构接触面具有独特的微观结构和力学特性[3]。这种强烈的粘结作用会对冻土与接触面的剪切性能产生重大影响[4]。冻土温度除了对接触面的冻结力有影响之外，还会影响破坏颗粒尺寸[5]。陈湘生等[6]通过开展人工冻结黏土在不同负温和围压下的三轴试验，得到如下结论：①冻土黏结力与负温之间呈近似线性关系；②冻土的排气三轴强度符合有效应力原理；③莫尔-库伦定律在围压小于10 MPa时有效，而当围压为10～16 MPa时就需采用抛物线准则，文中还给出了冻土强度准则的线性和非线性数学描述公式。吕鹏等[7]就冻土-混凝土接触面动剪强度展开研究，认为冻土-混凝土接触面的动强度幅值与温度、法向压力、含水率、表面粗糙度、加载循环次数有关。赵联桢等[8-10]先后研制了一台冻土接触面直剪仪用于冻土-混凝土接触面的研究，结果表明剪切破坏时对应的剪切位移不大于2 mm。温智等[11]开展了青藏粉土-玻璃钢接触面力学特性直剪试验研究，研究发现：青藏粉土-玻璃钢接触面屈服时相应剪切位移很小，应变硬化阶段短暂或不显著；冻结状态下接触面应力-位移性状呈脆性破坏型，存在明显峰值。汪仁和等[12]进行了冻土中单桩的室内抗拔模型试验，研究了在不同冻结温度下冻土中单桩在竖向上拔荷载作用下的承载力特性及其力学性状，分析了桩的轴力、桩土之间的冻结力沿桩身的分布规律，桩头竖向位移与荷载的关系，并且定量分析了冻结力和承载力与冻结温度的关系。徐春华等[13]依据侧向冻结力试验无厚度的非线性接触面单元模拟桩土界面，采用双曲线非线性模型编制三维非线性有限元程序。结果表明：桩周冻土温度、桩径、桩长强烈影响着桩侧冻结力的分布状态，增大桩径是提高工程桩承载力、减小沉降量的有效措施；增大设计桩长对提高工程桩承载力贡献较小。

在实际工程中，常刚度法向边界是一种比较常见的法向边界；另外，冻土区工程界面经常处于循环荷载(如风力、波浪和地震等)作用之下。因此，进行冻土与结构接触面在此类试验条件下的循环剪切试验对冻土与结构接触面研究具有重要的现实意义,本文运用自主研制的大型冻土接触面直剪设备开展了一系列冻土与结构接触面在常法向刚度边界下的恒温循环剪切试验，对冻土接触面的力学特性和变形行为进行深入研究与分析。

1 试验材料及参数

1.1试验材料与设备

本文选择南京地区典型砂土(埋深20 m)作为试验对象，其主要性能如表1所示，试验用水为自来水。试验设备为大型多功能冻土-结构接触面循环直剪仪DDJ-1[14]，主要参数为：试样长20 cm，宽10 cm，法向荷载20 kN(精度±0.3%)，切向荷载100 kN(精度±1%)，法向极度限位移10 cm(精度±10-4cm)，切向极限位移20 cm(精度±10-3cm)，温控范围为(-30～30)℃(精度±0.3℃)。

表1　南京砂土物理力学特性

1.2试验内容

试验过程如下：①把土样装入剪切盒；②安装剪切粗糙面板；③设定试验参数并启动压缩机，制冷液开始在剪切盒周围循环，土样温度逐渐降低，温度传感器实时记录土样温度并同步反馈给温度自稳调节系统，当土样温度降到目标值时，温度自稳系统转入恒温模式(土体温度高于目标温度时，压缩机启动，反之则关闭，从而保持温度恒定，温控精度为±0.3℃)；④温度稳定后，施加法向边界条件；⑤温度再次稳定后，施加启动水平加载装置实施剪切；⑥达到设定剪切次数后，关闭水平加载系统、竖向加载系统和温控系统，提升结构面板，取下试样。

表2　冻土-结构接触面试验内容

开展的试验为冻砂土-结构接触面恒温常刚度循环剪切试验。试验时以下参数固定：砂土含水率为24%，钢板粗糙度为0.8 mm，剪切幅度为11 mm，剪切速率为5 mm/min，数据采集周期为2.4 s，法向刚度为1 600 kg/cm。由于剪切时接触界面面积保持不变，所以可用相对法向位移的变化来表征冻土体积的变化，并规定剪胀为负，剪缩(即法向位移的减小)为正。相对剪切位移以向右为正，向左为负；剪应力以向右剪切为正，向左为负。主要试验内容如表2所示。

2试验结果分析

恒温常刚度试验的曲线包括：相对法向位移v与循环次数N，相对法向位移v与相对切向位移u，法向应力σ与循环次数N，法向应力σ与相对法向位移v的关系曲线，法向应力σ与相对切向位移u，剪应力τ与循环次数N，剪应力τ与法向应力σ的关系曲线。

2.1300 kPa起始法向应力常刚度试验分析

图1给出了起始法向应力为300 kPa条件下冻砂土与粗糙钢板循环剪切试验结果。

图1　300 kPa起始法向应力常刚度剪切试验结果Fig.1　Testing results under initial normal stress of 300 kPa

由图1(a)可以看出，在循环起始阶段相对法向位移出现了较明显的剪胀(0.02 mm)，这主要是因为在粗糙钢板的剪切作用下原来均匀致密的冰土胶结体变得相对松散和杂乱，所以会出现剪胀现象。而从整个循环过程来看，冻土接触面在常刚度循环剪切条件下会产生较大的相对法向位移，且法向位移随着循环次数的增加呈宏观上的增加趋势，不过增加的速率逐渐减小；这是因为随着剪切循环的进行，原来体积较大的冰土结晶体会变成较小的微粒，冻土的空隙因细小微粒的填充而减少，密实度得到提高，所以冻土接触面的相对法向位移在剪切循环的中后期呈缓慢增加趋势。虽然相对法向位移在总体循环上呈增大趋势，但从每个循环内部来看，相对法向位移先减小后增大，呈山峰状(峰谷距约为0.07 mm，且呈缓慢增大趋势)；这说明相对法向位移由两部分组成，即可逆部分和不可逆部分。由图1(a)和1(b)可知，相对法向位移v与相对切向位移u关系曲线从上至下逐渐浓密，相对法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循环的峰值与最大峰值(第30次循环的峰值)的比值分别为0.52，0.81，0.87，0.92，0.96，0.98，这说明相对法向位移在第5次循环后会进入一个比较明显的缓慢发展阶段。

由图1(c)可见，法向应力随着循环次数的增加呈先迅速减小后缓慢降低的趋势，这和相对法向位移增加的趋势大致吻合，由图1(d)可知，法向应力与相对法向位移确实在大致上呈线性关系，其斜率绝对值为80.596 kPa/mm，这和仪器选用的法向刚度(1 600 kg/cm)是一致的(计算式见式(1))，从而也从侧面证明了仪器的精确性。由图1(c)和1(e)可知，法向应力σ与相对切向位移u关系曲线从上至下逐渐浓密，法向应力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循环的峰值与第1次循环的峰值差值Δσ与Δσmax(第1次与30次循环的峰值之差)的比值分别为0.52，0.76，0.83，0.90，0.93，0.97，这说明法向应力的减小在前5次循环已经完成了大部。在每个循环内部法向应力均有峰状凸起，峰谷距约为5.2 kPa，这意味着法向应力存在可逆部分。

(1)

由图1(f)可知，剪应力在第1次剪切循环初始阶段产生1个远大于其他剪应力的极大值(307.5 kPa)，随后剪应力迅速减小；此后，冻土与结构接触面之间的剪应力在诸循环内的峰值随剪切循环的增加呈不断减小趋势，且减小速率在开始的几个循环内较大，随后逐渐降低。剪应力在第2次、第5次、10次、15次、30次循环的峰值与第1次循环峰值的比值分别为0.46，0.41，0.36，0.33，0.30，这也说明剪应力在第1次剪切循环时会出现1个非常显著的减小。而常温土与结构接触面在类似循环剪切条件下剪应力的变化规律是：剪应力随循环的进行呈较均匀的减小趋势，但是在初始阶段不会出现1个剪应力极大值，而且剪应力在剪切终了阶段的数值约为其初始值的26%。

出现上述两种不同规律的机理如下：对于冻土接触面而言，在冻土与接触面的胶结状态破坏之前，剪应力由两部分组成：其一是结构面板和冻土之间由于冰的胶结作用产生的冻结力；其二是两者之间的摩擦力。随着剪切位移的增大，胶结状态会在粗糙面板的剪切作用下迅速破坏，这时冻结力迅速衰减为零；此后，剪切力仅由滑动摩擦力组成，破碎的冰土胶结物会在持续的剪切之下部分冰产生融化，且冰土胶结物逐渐变得更细更密实，再加之法向应力也会随循环进行而减小，所以剪应力峰值随剪切循环的进行逐渐减小。对于常温土接触面而言，剪应力一直仅由滑动摩擦力组成，而且与冻土相比，常温土的强度要小得多。如果常温土可以看成塑性体，那么在一个较小的时间尺度上，冻土可以看做刚性体。所以常温土接触面在循环剪切作用下，剪应力的衰减一直比较稳定；而冻土接触面的剪应力，只在接触面胶结状态变化比较明显的前10个循环衰减较快。

另一些乡镇节庆活动中，主持人也常常提到海外侨民对节庆活动的贡献，例如侨民组织或个人赞助了某项活动，或者为抽奖活动提供了奖品等。节日中另一些场合，例如校舍竣工仪式等，也会拉横幅感谢作出贡献的侨民。海外侨民的贡献在乡镇节庆中是显性的存在、公开的话语。

图1(g)表明，剪应力峰值会随法向应力的减小而减小，并且二者存在线性关系；剪应力为正时的斜率绝对值要小于剪应力为负时的。

2.2500和700 kPa起始法向应力常刚度试验

图2给出了起始法向应力为500 kPa条件下冻砂土与粗糙钢板循环剪切试验结果。

图2　500 kPa起始法向应力常刚度剪切试验结果Fig.2　Testing results under initial normal stress of 500 kPa

由图2可见，当试验的起始法向应力为500 kPa时，诸曲线的变化趋势与起始法向应力为300 kPa时诸曲线的变化规律非常类似，只是存在着数值大小上的差异,因此在此仅作简要介绍。

由图2(a)和(b)可知：剪切初始阶段的剪胀为0.068 mm；在每个剪切循环内部，相对法向位移的峰谷距约为0.09 mm；相对法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循环的峰值与最大峰值(第30次循环的峰值)的比值分别为0.23，0.60，0.75，0.86，0.91，0.96。

由图2(c)，(d)和(e)可以看出:法向应力与相对法向位移呈线性关系，其斜率绝对值为80.02；在每个循环内部法向应力峰谷距约为6.1 kPa；法向应力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循环的峰值与第1次循环的峰值差值Δσ与Δσmax(第1次与30次循环的峰值之差)的比值分别为0.30，0.57，0.69，0.81，0.91，0.95。

由图2(f)可知:剪应力在第1次剪切循环的初始阶段产生的极大值为637 kPa；剪应力在第2次、第5次、10次、15次、30次循环的峰值与第1次循环峰值的比值分别为0.51，0.41，0.36，0.34，0.28。

由图2(g)可知：剪应力峰值会随着法向应力的减小而减小，并且二者存在线性关系；剪应力为正时的斜率绝对值要小于剪应力为负时的。

图3给出了起始法向应力为700 kPa时冻砂土与粗糙钢板循环剪切试验结果。由图3可以看出，当试验的起始法向应力为700 kPa时，诸曲线的变化趋势与起始法向应力为300和500 kPa时诸曲线的变化规律比较类似。

图3　700 kPa起始法向应力常刚度剪切试验结果Fig.3　Testing results under initial normal stress of 700 kPa

由图3(a)和(b)可知：剪切初始阶段的剪胀为0.033 mm，这说明在高围压之下，循环初始阶段所产生的剪胀非常微小，法向应变主要表现为剪缩(即法向位移的减小)；在每个剪切循环内部，相对法向位移的峰谷距约为0.11 mm,结合起始法向应力为300和500 kPa的两组试验可以发现：相对法向位移的峰谷距随着法向应力的增加而增大，这是由于接触带可以看成弹塑性体，而其中的可逆性法向位移可以看成弹性变形，弹性变形又与法向应力保持正比例关系；相对法向位移在第1次、5次、10次、15次、20次、25次循环的峰值与最大峰值(第30次循环的峰值)的比值分别为0.38，0.73，0.85，0.90，0.94，0.97。

由图3(c)，(d)和(e)可以看出：法向应力与相对法向位移呈线性关系，其斜率绝对值为80.01；在每个循环内部法向应力峰谷距约为6.5 kPa；法向应力σ在第2次、5次、10次、15次、20次、25次循环的峰值与第1次循环的峰值差值Δσ与Δσmax(第1次与30次循环的峰值之差)的比值分别为0.36，0.59，0.75，0.84，0.91，0.98。

由图3(f)可知:剪应力在第1次剪切循环的初始阶段产生的极大值为831.8 kPa；剪应力在第2次、第5次、10次、15次、30次循环的峰值与第1次循环峰值的比值分别为0.53，0.44，0.38，0.35，0.32。

由图3(g)可知：剪应力峰值会随着法向应力的减小而减小，并且二者存在线性关系；剪应力为正时的线性斜率绝对值要小于剪应力为负时的。

3结语

通过开展冻砂土接触面在恒温常刚度法向边界条件下的循环剪切试验，得到主要结论如下：

(1)在剪切循环中，第1个循环的初始阶段冻土接触面会出现剪胀现象；当起始法向应力为300，500和700 kPa时，恒温剪切试验出现的最大剪胀量分别为0.02，0.068，0.033 mm。可以看出当起始法向应力不大于500 kPa时，试验的最大剪胀量会随着法向应力的增大而增大，而起始法向应力为700 kPa时接触面的剪胀又呈现减小趋势。

(2)在恒温循环剪切试验中，从整体趋势来看，法向位移随剪切循环的增长呈先迅速增大后缓慢增长趋势，而在每个循环内部均出现了有规律的峰状突起，不同起始法向应力(从小到大)对应的法向位移平均峰谷距分别为0.07，0.09，0.011 mm，可见法向位移平均峰谷距随着起始法向应力的增大而增大。

(3)在恒温常刚度循环剪切试验中，不论起始法向应力为多少，法向应力随剪切循环的减小趋势和法向位移随剪切循环的增大趋势是一致的，且两者呈线性关系，其斜率为-80 kPa/mm。

(4)在恒温剪切试验中，峰值剪应力随剪切循环的增加都呈先快后慢的减小趋势，两者之间呈双曲线关系；而且在第1个循环的初始阶段都会产生1个由冻结力和滑动摩擦共同作用而导致的剪应力最大值τmax。起始法向应力为300，500，700 kPa时，恒温剪切试验对应的τmax分别为307.5，637，831.8 kPa，可见最大剪应力随着起始法向应力的增大而增大。

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Cyclic shear property studies on frozen silt-structure interface under constant temperature

ZHAO Lian-zhen1,2， CHEN Sheng-shui2， YANG Dong-quan1， ZHONG Qi-ming2， ZHANG Hong-bin1

(1.HainanUniversity,Haikou570228,China; 2.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

Abstract：Frozen soil-structure interface is the weak zone of building foundation, therefore, it is of great significance to study the cyclic shear property of the frozen silt-structure interface. By using the large-scale multi-functional cycle direct shear apparatus for the frozen soil-structure interface, the experimental studies of cyclic shear property of frozen silt-structure interface are carried out. The study results are as follows: (1) in the first cycle, the frozen soil shear zone displays the maximum dilatation at the beginning stage, and this maximum dilatation increases with the increase of initial normal stress when this initial normal stress is more than 500 kPa, and then decreases with the decrease of initial normal stress; (2) on the whole, the normal displacement increases with a cyclic loading time at a decreasing rate, and the peak-to-trough of normal displacement is observed inside each shear cycle; (3) the peak shear stress in each cycle decreases, but the rate of decrease gradually slows down with the cyclic loading time, and the relationship between the two is a hyperbolic curve. Moreover, the maximum shear stress formed under the joint actions of the freezing force and the frictional force between the structure and the frozen soil is observed in the initial stage of the first cycle. This maximum shear stress increases with the increase of initial normal stress.

Key words：frozen silt; interface; cyclic shear; constant temperature

中图分类号：TU411.7

文献标志码：A

文章编号：1009-640X(2016)01-0093-07

作者简介：赵联桢(1984—)， 男， 山东滕州人， 讲师， 博士， 主要从事岩土与地下工程的教学与研究。

基金项目：海南大学科研启动基金项目(kyqd1504: VR23269001001001011)

收稿日期：2015-06-07

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.014

赵联桢， 陈生水， 杨东全， 等. 冻砂土-结构接触面恒温循环剪切性能研究[J]. 水利水运工程学报, 2016(1): 93-99. (ZHAO Lian-zhen, CHEN Sheng-shui, YANG Dong-quan, et al. Cyclic shear property studies on frozen silt-structure interface under constant temperature[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 93-99.)

E-mail: zhaolianzhen@163.com 通信作者：陈生水(E-mail: sschen@nhri.cn)