破碎泥岩颗粒与钢护筒接触面往复剪切特性试验研究

梁 越，刘泽宇，张 强，袁 野

(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 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

破碎泥岩颗粒与钢护筒接触面往复剪切特性试验研究

梁 越1,2,3，刘泽宇1,3，张 强1,3，袁 野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 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

通过改进的室内直剪仪，控制试样颗粒级配、干密度、含水率等，研究钢-土接触面剪切特性在不同往复剪切圈数下的变化情况。分别在法向应力100，200，300，400 kPa条件下，记录不同剪切圈数下剪应力和法向位移的变化情况，引入摩尔-库伦准则分析了剪应力位移关系曲线、极限剪应力以及法向位移随往复剪切圈数的变化规律，发现剪应力位移关系曲线呈先急剧上升后趋于稳定的现象；随着往复剪切圈数的增加，极限剪应力和法向位移均有逐渐减小的趋势，且在一定的剪切圈数后趋于稳定；黏结力随剪切圈数的增加表现为先增大后减小最后趋于稳定，而内摩擦角则逐渐减小并趋于稳定。

岩土工程；破碎泥岩；钢-土界面；往复剪切；剪切特性

0 引 言

大直径钢护筒嵌岩桩在长江上游等山区河流的港口码头建设中得到了广泛运用。其由进入岩层较浅的钢护筒和内部嵌入中风化岩层一定深度的钢筋混凝土两部分组成。在运行中桩不仅承受一定的竖向荷载，还要承受船舶撞击力、系缆力、水流波浪等重复荷载作用。因此，钢护筒嵌岩桩桩侧钢-土界面在长期重复作用下的强度演化规律是影响桩基荷载传递规律以及承载力、累计水平变形计算的关键。故钢-土界面的往复剪切特性对研究钢护筒嵌岩桩在重复荷载作用下的承载能力具有重要指导意义。土与结构物接触面问题，已有大量学者[1-3]对其进行了探究。J.G.POTYONDY[4]通过室内直剪试验，发现可用类似于摩尔-库伦的强度准则来描述黏土与结构物接触面强度。杨有莲等[5]研究了分别在有无泥皮情况下不同土与混凝土结构接触面的剪切特性，结果显示有泥皮的存在时对其剪切特性的影响很大，主要表现在外摩擦角上。胡黎明等[6]进行了一系列的砂土与不同粗糙度接触面的直剪试验，提出土与结构接触面存在临界相对粗糙度Rcr，并通过Rcr将接触面分为光滑接触面和粗糙接触面。张嘎等[7-9]、冯大阔等[10]利用自制大型剪切仪器系统研究了粗粒土与结构接触面问题。总结了粗粒土与结构接触面剪切特性的基本规律，但对于受力易产生破碎的泥岩与结构物接触面的剪切特性研究甚少。以往学者针对土与结构接触面的研究大多是基于单调荷载下的剪切试验。考虑到重庆地区泥岩分布广泛且常用作码头回填土料，经常受到船舶、水流等重复荷载的作用。因此笔者通过控制试样颗粒级配、干密度、含水率等，针对重复荷载作用下钢护筒嵌岩桩与回填覆盖层之间的相互作用问题，主要探究破碎泥岩颗粒在重复荷载下剪切特性的演变规律。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验用料为重庆果园码头用于回填的泥岩，弱风化、呈紫红色，受力易产生破碎。

由室内土工试验测得，试验用土基本物理指标：土颗粒密度2.72 g/cm3，天然密度为2.44 g/cm3，饱和密度为2.72 g/cm3，最大干密度为1.92 g/cm3，塑限21.2%，液限39.6%。文中控制试样干密度为1.85 g/cm3，含水率为8%，颗粒级配见图1。

图1 颗粒级配曲线Fig.1 Particle size grading distribution

1.2 试验仪器

试验仪器由ZJ型应变控制式直剪仪改进而成，如图2。主要改进如下：用螺丝将厚2 mm的钢板一端固定在上剪切盒上，另一端与拉压力传感器连接，使钢板、上剪切盒和拉压力传感器共同组成一个刚性整体；在上下剪切盒中间放置一块厚5 mm且上表面具有一定粗糙度的钢板，钢板尺寸与下盒断面边长相同，在钢板上对应下剪切盒孔位置处进行人工钻孔，孔中插入销钉将钢板固定于下剪切盒上，销钉高度与钢板面平齐，以此来模拟结构物面板；下剪切盒一端通过销钉等零件连接到可伸缩的驱动器轴承上，另一端装有位移传感器；剪切过程中，装有土样的上剪切盒保持固定，通过驱动器轴承的伸缩使固定在下剪切盒上的钢板与土样之间产生往返的错动，以达到往返剪切的效果。

图2 剪切试验装置示意Fig.2 Schematic of the shearing test equipment

数据的采集采用东华测试DH5902N数据采集系统，与仪器连接的两个位移百分表和拉压力传感器。分别测出剪切过程中的法向位移、剪切位移及剪切力的变化情况，设置采集频率为10 Hz，较于常规直剪试验能更精确的记录剪切过程。

1.3 试验设计

文中往返剪切均采用应变控制，为展现出完整的剪切过程，设计最大剪切位移可达10 mm，双向达到最大剪切位移自动停止。试验选择进行快剪试验，剪切速率12 r/min，一次单向剪切耗时4 min 10 s。考虑到实际工程中钢护筒壁不可能绝对光滑，故试验所用钢板为Q235人工粗糙钢板，取粗糙度R=0.5 mm(R为钢板表面凹槽的峰谷距，如图3)[7]。一般桩后回填覆盖土层能达到15～20 m，其上覆盖层的应力能达到350 kPa左右，因此试验设计法向应力分为100，200，300，400 kPa四级，对应每个法向应力做3组平行试验以降低试验中的随机误差。定义一个往复剪切过程为1圈，包括前推和后拉两次剪切，根据实际剪切结果，试样在剪切循环25圈后各项性能指标均已趋于稳定，因此设计往返剪切循环圈数为25圈，共剪切50次。

图3 人工粗糙钢板形状及粗糙度定义示意Fig.3 Shape of artificial rough steel plate and definition of roughness

2 数据分析

2.1 剪应力-位移曲线随剪切圈数的变化分析

根据试验所测数据，绘制剪应力-位移曲线，图4为法向应力300 kPa条件下剪应力τ(kPa)关于剪切位移λ(mm)的λ-τ关系曲线随剪切圈数的变化规律。

图4 λ-τ关系曲线Fig.4 Relation curve between λ and τ

由图4可知，不同剪切圈数下的λ-τ关系曲线发展趋势基本一致。剪切过程可分为试验前期剪应力随剪切位移的增加而急剧增加的弹性阶段、试验中期剪应力增加速率变缓的塑性阶段和最后剪应力值趋于稳定的破坏阶段。图4中可以看出，试样在达到破坏阶段后，由于钢板粗糙度的影响，造成接触面附近土体颗粒的破碎、翻滚、爬升等不规则运动，使其剪应力值在一个较小的范围内波动。

为能更清楚地探讨剪应力位移关系曲线随剪切圈数的变化规律，取特定循环圈数(N=1(第一个循环),10,20,25)下的试验数据作图5，发现随着剪切圈数的增加，剪应力位移关系曲线在弹性阶段的斜率有所增大，即弹性阶段剪应力随剪切位移的增加而增大的速度越来越快。

图5 λ-τ关系曲线随剪切圈数的变化Fig.5 Relations between λ and τ changing with shear cycles

2.2 抗剪强度随剪切圈数的变化分析

由表1可知，在同一剪切循环内，土体的极限剪应力在往返两个方向上表现出明显的异向性，且该规律随着剪切圈数的增加一直存在。该异向性的形成主要是由于试样经过第一次剪切后，结构面附近本随机分布的土体颗粒在剪应力作用下发生滑移、转动、破碎等变化，土体颗粒长轴沿着剪切方向分布，使得结构面附近的土体颗粒有了新的定向排列顺序，最终表现为同一剪切循环内两个方向上的极限剪应力的不同[9]。

表1 剪切圈数与极限剪应力的关系Table 1 Relations between shear cycles and the ultimate shear stress

同时，随着往复剪切的进行，接触面附近土体颗粒不断地被剪碎，导致土体抗剪强度持续减小，但剪切到一定圈数后，接触面附近土体颗粒不再破碎从而达到一个相对平衡状态。图5和表1中，可以从具体的数据中观察到试样的极限剪应力在前10圈有着明显的减小现象，其减小的速度逐渐变缓最后在剪切循环20圈左右趋于稳定。为描述试样抗剪强度随往复剪切圈数的影响，图6是根据试验所得数据拟合得到的不同剪切圈数中的σ-τ关系曲线，其中σ为法向应力，τ为剪应力。

图6 σ-τ关系曲线Fig.6 Relation curve between σ and τ

由图6可知，各个剪切圈数下的σ-τ曲线均具有良好的线性拟合关系，且随着往复剪切圈数的增加图中曲线的位置越偏下最终趋于稳定。再次证明了图5中得到的抗剪强度随往复剪切圈数增加而降低并趋于稳定的结论。

通过引用摩尔-库伦准则：τ=c+σtanφ，其中c为钢-土界面的黏结力；σ为施加的法向应力；φ为钢-土界面的内摩擦角。用图解法确定拟合参数反算出各剪切圈数下对应土样的c，φ值，具体见表2。

表2 剪切圈数与黏结力、摩擦角关系Table 2 Relations among shear cycles, cohesion and internal friction

(续表2)

剪切圈数N/圈黏结力c/kPa摩擦角φ/(°)剪切圈数N/圈黏结力c/kPa摩擦角φ/(°)424.6324.381525.2921.20525.4323.772022.9120.68626.7523.082523.3120.34726.4922.81

根据表2中所列数据，分别作图7、图8。从图7中可知，随着剪切圈数的增加，黏结力表现为先增加后减小最后趋于稳定。其变化过程具体可以分为3个阶段：①剪切初期即前5个循环，在法向应力作用下土体颗粒不断被压密，黏结力急速增大，这一阶段黏结力的变化，法向应力起主导作用；②随着往复剪切的继续，法向应力对黏结力的影响逐渐降低，剪应力过渡成为主要因素，在剪应力的往复作用下，接触面附近的土体颗粒开始出现破碎、翻滚、爬升等运动，该阶段黏结力表现为逐渐减小；③当往复剪切圈数到20圈左右，接触面附近土体颗粒已达到了一个相对平衡的状态，此时黏结力也趋于稳定。

图7 黏结力c随剪切圈数的变化Fig.7 Variation curves of cohesion changing with shear cycles

图8 摩擦角φ随剪切圈数的变化Fig.8 Variation curves of friction angle φ changing with cyclic shear

图8中内摩擦角随着往复剪切圈数的增加呈现出逐渐减小并趋于稳定的现象。内摩擦角的减小即反映了土体摩擦因数的减小。剪切初期，由于土体颗粒形状不规则和钢板表面存在一定的粗糙度，在法向应力及土体自重的影响下，土颗粒与钢板之间及土体内部颗粒之间相互咬合较紧密，从而此阶段的摩擦因数较大；随着往复剪切的进行，接触面附近土体颗粒在剪应力的作用下不断地摩擦破碎，从较大颗粒变成细小颗粒，同时土体颗粒之间的摩擦，使土体颗粒变得更为圆滑，从而摩擦因数在此阶段表现为不断变小；当剪切循环到20圈左右时，接触面附近土体颗粒达到一个相对平衡状态，此时摩擦因数表现为一个较为稳定的值。

2.3 法向位移的剪切变化分析

笔者用u来表示法向位移且竖直向上为正方向。图9表示法向应力在300 kPa条件下法向位移在剪切过程中的变化情况。由图9可知，试样的剪切体变表现为剪缩，且剪切体变量由不可逆性剪切体变和可逆性剪切体变两部分组成。剪切初期，法向位移变化明显，此阶段法向位移的变化主要由法向应力的压缩引起，以不可逆剪切体变为主。随着往复剪切的进行，其剪切体变逐渐过渡到以可逆性剪切体变为主，此阶段不可逆性剪切体变趋于稳定且不再有明显的增加，而可逆性剪切体变会随剪切方向的改变表现为有规律的变化。

图9 300 kPa下法向位移随剪切过程的变化Fig.9 The normal displacement changing with shear under 300 kPa

以往复剪切次数为横坐标，各法向应力条件下的法向位移为纵坐标，作图10。从图10中可以看出，各法向应力条件下法向位移变化曲线形式基本相同，剪切体变表现为剪缩的特性，且法向应力对法向位移量有很大的影响。法向应力越大法向位移累积量越大且累积速率越快，主要是由于随着法向应力的增加试样被压的更密实，产生的不可逆性剪切体变量随即增加。但随着法向应力的不断提升，法向位移的增加量越来越小，预测法向应力达到一定值后，其法向位移量会趋于稳定不再变化。

重庆地区泥岩分布广泛且常被用作港口码头回填用料。笔者针对在船舶荷载、系缆力、水流荷载等长期重复作用下的钢护筒嵌岩桩桩侧钢-土接触面问题，对钢-土界面往复剪切特性进行了试验研究，探索了剪应力位移关系曲线、极限剪应力、剪切体变及土体强度参数等在往复剪切条件下的变化规律。试验的结果对探讨深水码头大直径钢护筒嵌岩桩的长期承载机理具有一定的参考价值。由于试验设备等条件的限制，试验也存在着较多不足之处：试验仪器由原有的应变式直剪仪改装而成，对试样的尺寸有极大的限制，尺寸效应比较明显；实际工程中钢-土界面间的剪切特性受多种因素的共同影响，探究多因素相互耦合对土体剪切特性的影响极具实践意义；对于类似泥岩这种质地较软的土料，如何定性和定量的衡量其在重复荷载下的颗粒破碎问题是个重要的课题。

图10 不同法向应力下法向位移随剪切次数的变化Fig.10 The normal displacement changing with shear cycles under different normal stress

3 结 论

1)破碎泥岩颗粒钢-土界面剪应力位移关系表现为弹塑性，并没有明显的应变软化现象发生。随着往复剪切圈数的增加，剪应力位移关系曲线形式表现出一致性，但在弹性阶段剪应力位移关系曲线的斜率有所增大。

2)同一剪切循环中，极限剪应力在前进和后退两个方向上存在着异向性，且该异向性在剪切过程中一直存在；往复剪切圈数对破碎泥岩颗粒的极限剪应力也存在着一定的影响，随着剪切圈数的增加，表现为先减小最后趋于稳定。

3)随着往复剪切的进行，接触面体应变表现为减缩，由可逆性和不可逆性两部分体应变分量组成，其中不可逆性体应变分量占主导地位；由压缩引起的不可逆性体应变分量随着法向应力的增加有明显的增加。

4)通过摩尔-库伦准则，拟合不同往复剪切圈数下的黏结力c和内摩擦角φ，发现随着往复剪切圈数的增加，黏结力表现为先增大后减小最后趋于稳定，而内摩擦角则逐渐减小并趋于稳定。

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Reciprocating Shear Characteristics of Contact Interface Between Broken Mudstone and Steel Casing

LIANG Yue1, 2, 3, LIU Zeyu1, 3, ZHANG Qiang1, 3, YUAN Ye1, 3

(1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China; 3. Key Laboratory of Ministry of Education for Hydraulic and Waterway Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

The change of shear characteristics of steel-soil contact interface with different cyclic shear cycles was studied by improving the indoor direct shear apparatus and controlling the graduation, dry density, moisture content and so on. The change of shear stress and normal displacement with different shear cycles was recorded respectively under normal stress from 100, 200, 300 kPa to 400 kPa. The relation curve between shear stress and displacement, the ultimate shearing stress and the rule of normal displacement changing with cyclic shear cycles were analyzed by the introduction Mohr-Coulomb failure criterion. It is discovered that: a) the relationship curve between shear stress and displacement is found to be stable after a sharp rise; b) both the ultimate shearing stress and the normal displacement have a gradual decrease trend with the increase of the number of cyclic shear cycles, and intend to be stable at a certain number of shear cycles; c) with the increase of the number of cyclic shear cycles, the cohesive force firstly increases, and then gradually decreases, and tends to be stable finally; and the internal friction angle tends to be stable after a gradual decrease.

geotechnical engineering; broken mudstone; contact interface between steel and soil; reciprocating shear; shear properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.13

2015-08-05；

2015-12-25

国家自然科学基金项目(51409029,51349007)；重庆市教委科学技术研究项目(KJ130412)；重庆市基础与前沿研究计划项目(estc2013jcyjA30006);河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室开放基金项目(GH201303)

梁 越(1985—)男，山东临沂人，副教授，博士，主要从事大尺寸桩基承载性状方面的研究。E-mail:liangyue2560@163.com。

TU432

A

1674-0696(2016)04-060-05