干湿循环作用下钢土界面剪切特性试验

梁 越，储 昊，曾 超（1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098；3.重庆交通大学河海学院，重庆 400074）



干湿循环作用下钢土界面剪切特性试验

梁 越1，2，储 昊1，3，曾 超1，3
（1.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；
2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098；3.重庆交通大学河海学院，重庆 400074）

摘要：为研究干湿循环作用下钢土界面剪切特性对钢护筒嵌岩桩周土软化变形规律的影响，通过改进的室内直剪试验，设计一定含水率、干密度、级配的初始试样，进行了初始状态和4次干湿循环共5组工况的试验，依次在50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa这4种法向应力条件下进行钢土界面和土体本身的剪切试验。试验结果表明：干湿循环对土体本身的影响大于对钢土界面抗剪强度的影响；钢土界面剪切过程中应力应变关系呈弹塑性变化，没有出现应变软化现象；钢土界面和土体本身摩擦角变化不大，而黏结力呈先增大后减小的变化趋势。

关键词：钢土界面；剪切特性；干湿循环；抗剪强度；嵌岩桩

随着内河航运的发展，在长江中上游的内河码头建设中，大尺寸钢护筒嵌岩桩正被广泛应用。钢护筒嵌岩桩嵌岩段以上一般为岸坡回填覆盖层，桩基在覆盖层内受到的侧阻力对钢护筒嵌岩桩的承载性能有较大的影响。桩基在施工过程中，往往先开挖修筑桩体，然后回填土体并碾压夯实。填筑结束后，填土早期为非饱和土，在降雨频繁期逐渐浸水转变为饱和土，在枯水期则又变回非饱和土。可见，在季节性降雨变化情况下，填土的饱和状态呈现交替变化，即土体干湿循环。土体强度及稳定性在干湿循环作用下，可能发生不可逆的变化，不可忽视其影响效应。王亚坤等[1]认为由于干湿循环破坏了土的原有结构，使泥岩结构崩解，黏结力减小，从而导致风化泥岩的抗剪强度和CBR强度逐渐减小，并且减小趋势随循环次数的增多而变缓，内摩擦角也会稍微减小。龚壁卫等[2]针对膨胀土干湿循环过程中的吸力变化和强度变化特征研究后认为土水特征曲线是不稳定的，它与土体含水率的变化路径有关，并且在干湿循环过程中，相同的吸力具有不同的强度贡献。汪东林等[3]针对非饱和重塑黏土，结合收缩曲线和土水特征曲线，探讨试样在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比之间的关系，结果表明：试样收缩系数和土水特征曲线与净平均应力密切相关；试样在吸湿过程中，在低净平均应力下发生膨胀，而在较高净平均应力下试样在膨胀后发生坍塌。张芳枝等[4]和曹玲等[5]进行了干湿循环对非饱和土体力学特性、强度特性的研究。詹良通等[6]通过一系列吸湿试验、等吸力压缩固结试验和等吸力剪切试验，得到了在等向压缩固结过程中，该非饱和膨胀土的屈服应力随吸力增大而增大，而屈服后的压缩系数随吸力增大而减小的规律，表明吸力对土体具有硬化作用。国内学者也做了大量膨胀土膨胀特性、强度特性、接触面剪切特性等研究[7-13]。

国内外针对干湿循环对土体影响的研究主要从收缩曲线、水体特征、基质吸力、力学特性、变形和强度特性等方面开展。本文主要研究干湿循环对钢土界面剪切特性的影响，从钢土界面剪切规律、抗剪强度和强度指标变化入手，基于界面剪切特性确定桩侧阻力随干湿循环变化次数的计算原则。

1 试验装置和方案

1. 1 试验材料

长江上游泥岩分布广泛，且开采出来的泥岩料常用于码头回填，故而本文选取泥岩为试验土料，土料取自重庆港口，考虑到试验材料用于码头回填和打桩时对桩周土的扰动，为了与实际情况相符，土样采用重塑土，其制备方法是将土风干后进行筛分，按原状土样的含水量和干密度加水拌和、压实而成。对土样进行基本的物理特性试验，测得其基本性质指标如下：土颗粒相对密度为2. 72，塑限为21. 2%，液限为39. 6%，最大干密度为1. 92 g/ cm3。试样设计干密度为1. 85 g/ cm3，含水率为8%，试样颗粒级配曲线见图1。

图1 颗粒级配曲线

1. 2 试验仪器

试验仪器在现有直剪仪上改进而得到，具体改进措施为：在下剪切盒上放置钢板，钢板各边边长与下盒断面边长相同，厚度为3 mm，且在钢板上进行人工钻孔，孔位置与下剪切盒孔位置重合，并通过销钉将钢板固定于下剪切盒上且销钉高度与钢板面平齐，使得钢板在水平方向上与下剪切盒无相对位移，上、下剪切盒尺寸为100mm×100 mm×30 mm（长×宽×高，下同）；钢板尺寸为100 mm×100 mm×3 mm；试样直径为61. 8 mm，高度为20 mm，如图2所示。根据土工试验规范，直剪过程中最大水平位移为6 mm，相对于钢板平面而言，改进的直剪仪在整个剪切过程中土样与钢板的接触面积是不变的，弥补了常规直剪中土样剪切面积逐渐缩小这一缺点。为了减小上剪切盒与钢板的摩擦，在其上剪切盒上涂抹聚四氟乙烯。

图2 剪切试验装置示意图

1. 3 试验方案

试验采用改进的应变控制式直剪仪研究干湿循环对钢土界面剪切特性的影响。每组试验在常温下进行快剪试验，每分钟剪切位移为2. 4 mm。试验中测力计读数达到稳定值或有显著后退，表示试样已经剪损。随着法向应力的增大，达到最大剪切应力时对应的剪切位移也随之增大，直剪仪转轮每转动一圈记录下水平和竖直位移百分表的读数。考虑干湿循环对钢土接触面剪切特性的影响，设计干湿循环次数分别为0、1次、2次、3次、4次，每组干湿循环下均做4组试验，设计法向应力为4级，分别为50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。试样制备完成后称量其环刀和土样的总质量，根据干密度和含水率计算一个环刀内土和水的质量，这样可以通过质量来控制土样是否达到脱水全干和完全饱和。初始时制备了40个试样，每干湿循环1次后提取8个试样进行称量，达到设计要求后进行试验，剩下的继续进行干湿循环直到对应循环次数完成。

1. 4 干湿循环路径设计

干湿循环的路径有许多种，不同的路径可能会产生不同的影响。本次试验设计路径为：初始试样→脱水全干→完全饱和→初始试样，这样为1次干湿循环，其余过程一致。判断每次循环是否完成的标准是将初始试样进行编号并称量每个试样的质量，利用小太阳并自然风干2～3 d左右使其完全达到风干状态；利用真空饱和器饱和1d左右使其完全饱和，取出试样后再进行自然风干，每隔一段时间称量每个编号试样的质量，并与初始试样进行对比，当与初始试样质量相差很小时可以认为干湿循环完成。

2 试验结果及分析

2. 1干湿循环后应力位移关系

图3为法向应力为50kPa时不同干湿循环次数下钢土界面剪应力τ与水平位移λ的关系曲线。由图3可知，不同干湿循环次数下，剪应力随水平位移的增加呈弹塑性变化，可见明显的弹性阶段和塑性阶段，没有出现应变软化现象，并且剪应力达到峰值时对应的剪切位移大致相同；此外，在50 kPa下，钢土界面第1次干湿循环比初始状态时抗剪强度增长了18. 90%，第2次干湿循环比初始状态减小了3. 94%，第3次干湿循环比初始状态减小了7. 87%，第4次干湿循环相比第3次循环变化不大；说明干湿循环对钢土界面的抗剪强度并不是随着循环次数的增加而减小，反而出现了第1次干湿循环后抗剪强度增长的现象。在第1次干湿循环过程中，由于泥岩自身的崩解以及水对黏土矿物的水化作用，使土体内的胶结物溶解和析出，增大了颗粒间的黏结力，表现出黏结力增大同时内摩擦角变化很小的规律，根据莫尔库伦强度理论τ＝c＋σtanφ可知τ会增长。

图3钢土界面剪切位移剪应力关系曲线

通过图4可以看出土体本身干湿循环后有明显的应力软化现象，不同干湿循环次数下剪切应力峰值对应的剪切位移不同。50 kPa法向应力作用下，第1次干湿循环后土体本身抗剪强度比初始状态减小了3. 07%，第2次干湿循环比初始状态增大了29. 37%，第3次干湿循环比初始状态增大了5. 06%，第4次干湿循环相比第3次循环变化不大。当法向应力为100 kPa、150 kPa、200 kPa时，均有类似的变化规律，只是变化幅度稍微缓和。通过钢土界面和土体本身的数据对比，说明干湿循环对土体本身抗剪强度的影响要大于对钢土界面抗剪强度的影响。

图4土体剪切位移剪应力关系曲线

2. 2 干湿循环后极限抗剪强度与法向应力关系

图5表示不同干湿循环次数条件下的法向应力σ和极限剪应力τc的关系曲线，可以看出，法向应力与极限剪应力呈良好的线性关系，即试验得到的钢土界面剪切强度符合摩尔库仑准则，并且出现钢土界面直剪试验第1次循环抗剪强度包线最靠上，第3次循环抗剪强度包线位置最靠下，第4次与第3次循环几乎重合。说明随着循环次数的增加，钢土界面极限抗剪强度先增大后减小并在3～4次循环后达到稳定。

图5钢土界面法向应力极限剪应力关系曲线

2. 3 干湿循环对抗剪指标的影响

由表1可知，无论是钢土界面还是土体本身随着干湿循环次数的增加摩擦角φ变化很小，说明干湿循环对钢土界面和土体本身滑动和咬合影响不大。在钢土界面上颗粒间的滑动表现在颗粒与钢板之间，滑动的接触面积不变，钢板表面的光滑程度一定，根据u＝tanφ，摩擦系数u不变，因而摩擦角φ不变，对于土体本身颗粒间的咬合作用，在试验过程中剪切面大部分位于钢板与土之间，可知滑动摩擦起主导作用，综上所述，干湿循环对钢土界面的摩擦角影响不大。

表1 干湿循环次数与黏结力和摩擦角的关系

图6、图7分别为钢土界面和土体本身黏结力随干湿循环次数的变化曲线，由图可知，钢土界面和土体本身的黏结力均随着干湿循环次数的增加呈先增大后减小的趋势。一般而言，影响土黏结力大小的因素大致有5种：静电引力、范德华力、颗粒间的胶结、颗粒间接触点的化合键以及表观黏结力[14]，本试验中对黏结力大小起决定性作用的是颗粒间的胶结；在循环开始时，由于泥岩自身的崩解以及水对黏土矿物的水化作用，土体内的胶结物溶解和析出，颗粒间形成一种很强的化学键，增强了颗粒间的黏结作用，从而提高了土体的黏结力；随着干湿循环次数的增加，颗粒间的这种化学键不断地破坏，表现为黏结力随着干湿循环次数的增加先增大后减小。

图6钢土界面黏结力干湿循环次数关系曲线

图7土体本身黏结力干湿循环次数关系曲线

3 结 论

a.不同干湿循环次数对钢土界面的剪切强度有不同的影响，第1次干湿循环后抗剪强度增大，第2次循环后抗剪强度减小，第3次循环后降至最低，而第4循环与第3次循环相比变化不大。

b.不同法向应力下干湿循环对钢土界面的抗剪强度影响不同，随着法向应力的增大，干湿循环的影响变得越不明显。在50 kPa下干湿循环对钢土界面的抗剪强度影响较大，变化值在-3. 94%～-7. 87%。

c.干湿循环对土体本身抗剪强度的影响要大于对钢土界面抗剪强度的影响。

d.干湿循环对钢土界面和土体本身内的摩擦角影响不大；钢土界面和土体本身黏结力随干湿循环次数增加呈先增大后减小的趋势。

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Experimental study on shear characteristics at steel-soil interface with drying-wetting cycles/ /

LIANG Yue1，2，CHU Hao1，3，ZENG Chao1，3（1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；3. School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：In order to study the influence of the shear properties at the steel-soil interface with drying-wetting cycles on the softening deformation of soil around the steel-casing rock-socketed pile，initial samples with a certain moisture content，dry density，and gradation were designed. And shear tests on the steel-soil interface and soil body were carried out in five cases，including a initial state and four different numbers of drying-wetting cycles. In each case，samples were subjected to four vertical pressures：50 kPa，100 kPa，150 kPa，and 200 kPa. The results show that the influence of drying-wetting circles on the shear strength of soil is greater than that on the shear strength of the steel-soil interface. During the shear process，there is an elastic-plastic stress-strain relationship，and no strain-softening phenomenon occurs at the steel-soil interface under drying-wetting circles. With the increase of the number of drying-wetting circles，the friction angles of the steel-soil interface and soil change little，while their cohesive forces increase first and then decrease.

Key words：steel-soil interface；shear characteristics；drying-wetting cycle；shear strength；rock-socketed pile

收稿日期：（2014 10 09 编辑：骆超）

作者简介：梁越（1985—），男，副教授，博士，主要从事大尺寸桩基承载性状等研究。E-mail：liangyue2560@163. com

基金项目：国家自然科学基金（51409029）；重庆市基础与前沿研究计划（cstc2013jcyjA30006）；岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室开放研究基金（GH201303）

中图分类号：TU411. 7

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0049 04