碱渣土与结构接触面剪切力学特性试验研究

王成武，周俊中，朱鹏宇，张 渊

(1. 淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001；2. 中亿建工程管理股份有限公司，江苏 淮安 223003)



碱渣土与结构接触面剪切力学特性试验研究

王成武1，周俊中2，朱鹏宇1，张 渊1

(1. 淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001；2. 中亿建工程管理股份有限公司，江苏 淮安 223003)

碱渣土可以作为大面积回填材料，但其理论研究相对落后于实践，利用改进的直剪仪，进行了碱渣土与三种不同粗糙程度结构界面的直剪试验。试验结果表明：作用在接触面上的法向应力和粗糙程度对接触面的剪切应力和力学响应影响很大；可以采用莫尔-库伦强度准则作为碱渣土与结构接触面的抗剪强度准则，粗糙度对接触面的内摩擦角影响较小，而对黏聚力影响较大。

碱渣土; 接触面; 力学特性; 试验研究

0 引言

碱渣是碱厂利用“氨碱法”生产碳酸钠过程中产生的固体废弃物，国内外学者在碱渣的工程应用方面做了许多的研究。闫澍旺等[1]的研究表明，碱渣与其它材料(如粉煤灰等)拌和可制成工程土，代替一般工程土作为道路基础或大面积填垫材料的途经；王芳等[2]提出了测定碱渣基本物理性质较为合理的试验方法；孙树林等[3]对利用碱渣作为添加剂对膨胀土改良的可行性和改良效果进行了研究，发现碱渣对膨胀土膨胀性的改良有显著效果，碱渣改性土黏聚力显著增加，而内摩擦角变化不大；冀国栋等[4]研究发现，掺入粉煤灰能明显改善回填碱渣的强度，使其黏聚力、内摩擦角都大幅提高，抗剪强度大幅增加；曹军、张渊[5-6]对淮安碱厂碱渣的吸湿性、密度、塑限、液限等基本物理性质进行了研究，为碱渣工程化应用提供了试验依据。

土与结构接触界面的剪切力学特性，是土体与结构物相互作用研究的核心课题之一[7]。碱渣土作为工程回填材料，必然会存在着土体与结构的相互作用问题，例如碱渣土与基础、碱渣土与桩、碱渣土与挡土结构物等。本文主要从碱渣土作为填垫材料的角度出发，研究碱渣土与结构接触面的力学特性试验，探讨碱渣土与结构相互作用的机理和规律，对挡土结构设计、地下工程安全等具有十分重要的意义。

1 试验仪器与材料

1.1 试验仪器

作为研究不同材料接触界面剪切力学特性的主要手段，直接剪切试验虽然存在着一些不足和缺陷，但由于操作简便等原因，一直倍受国内外学者的推崇[7]。

本次试验的主要仪器设备为实验室改进的ZJ四联应变控制式直剪仪试验系统，该系统由主机、控制系统、数据采集系统等几部分组成。垂直载荷：最大400kPa，剪切速率：0.02～2.4mm/min。

1.2 试验材料

试验采用的碱渣为江苏井神盐业有限公司碱厂的工业碱渣， 其自然状态下为灰白黏块， 经105℃烘干后呈白色固体块状态，用研磨器皿将试样碱渣磨成粉末状后过2mm筛，如图1所示。

(a)烘干之前 (b)烘干研磨并过筛

图1 烘干之前和之后的碱渣

由于混凝土材料做的结构试块容易被压碎等原因，本次试验采用不同粗糙程度的钢板代替不同的砼结构面。粗糙程度分为光滑(钢板表面光滑)、一般粗糙(钢板表面喷砂处理)、特别粗糙(钢板表面刻有深3mm，宽5mm的凹槽，试验时凹槽垂直于剪切方向)三种，如图2所示。

(a)光滑结构面 (b)一般粗糙 (c)特别粗糙

2 试验结果的初步分析

在不同法向应力条件下，进行碱渣土与不同粗糙程度的结构界面的直剪试验，每次至少进行3次平行试验，并取其均值。结果如图3所示。限于篇幅，此处列出粉煤灰取代率为20%，法向应力为50kPa，100kPa两种情况下的剪应力—剪切位移关系曲线，也称τ-ωs曲线。

由图3可见，随着作用在碱渣土—结构接触界面的法向应力和结构面的粗糙程度不同，碱渣土—结构面所呈现出的力学响应也有所不同。总的表现为：在刚开始剪切的阶段，剪应力上升较快，随着剪切位移的增加，剪应力的增加幅度逐渐变缓。几种粗糙程度的结构面，都是随着法向应力的增加，应变硬化特征逐渐增强，应变软化特征逐渐减弱。其中，一般粗糙和特别粗糙两种结构面的变化较为明显。在法向应力一定的条件下，不同粗糙程度的结构面的特性也有所不同：如当σ=100kPa时，一般粗糙和特别粗糙两种结构面的剪切应力—位移的曲线形式基本可以认为是为应变硬化型的双曲线形式，符合双曲线模型。

(a)σ=50kPa

(b)σ=100kPa

图3 土-结构接触面剪应力-剪切位移曲线

3 碱渣土-结构界面剪切特性的主要影响因素

3.1 界面上的法向应力

试验表明，作用在碱渣土-结构接触界面上的法向应力是影响接触面剪切力学响应的重要因素。在土性、剪切速率、结构面粗糙程度等条件保持不变的情况下，由于作用在接触面上的法向应力不同，接触面的剪应力—剪切位移关系曲线的表现形式和峰值大小也随之发生改变。图4为特别粗糙接触面在四种不同法向应力条件下的τ-ωs曲线。

图4 不同法向应力条件下τ-ωs曲线

图4可见，同样的结构面粗糙程度，而法向应力不同的情况下，剪应力-剪切位移曲线呈现出不同的形状，且当剪切位移相同时，剪切应力均随法向应力的增加而明显增大，σ=50kPa时，剪切应力峰值出现时剪切位移约为3mm，而当σ=200kPa和σ=300kPa时，剪切位移达到4mm停止剪切时，剪切应力仍未达到峰值。

图5(a)、(b)、(c)给出了不同粗糙程度结构面的τf-σ关系曲线及其线性回归曲线。图5表明，对于不同粗糙程度的碱渣土—结构接触面，其剪切应力均随法向应力的增加而明显增大。对图5中的试验曲线进行了线性拟合，拟合曲线与试验曲线相似度非常高，拟合结果见表1。由表1看出，几种土—结构界面的剪切强度与法向应力呈很好地线性相关，其拟合相关系数均达0.996以上。因此，可以采用莫尔—库伦强度准则作为碱渣土与结构接触面的抗剪强度准则：

τf=σtanφ+c

(1)

式中，c,φ可以认为是界面的黏聚力和界面的摩擦角。

图5(d)可见，同样的法向应力条件下，不同粗糙程度的接触面的抗剪强度不同，随着接触面粗糙程度的加大，接触面的抗剪强度随之增加。

3.2 结构面的粗糙程度

接触面力学特性受结构物表面的粗糙程度的影响较大。不同粗糙程度的土-结构接触面的剪切力学特性明显不同[7]。由图3可见，不同粗糙程度的接触面的τ-ωs曲线形式是不同的，光滑接触面的剪切力—剪切位移曲线呈现峰值型，而特别粗糙接触面的剪切力—剪切位移曲线为双曲线型。

光滑接触面的剪应力主要由碱渣土与结构表面的结合力提供，随着剪切位移的逐渐增大，剪切力达到峰值后，原有接触面结构破坏，碱渣土与结构表面的结合力开始减小，剪应力随之减小，所以剪切力—剪切位移曲线形成峰值。

粗糙接触界面上的τ主要由两部分组成[8]：首先是碱渣土与结构表面的黏聚力；其次是结构表面粗糙部分(如：凹槽)嵌填的碱渣土与界面上部碱渣土的相互错动。随着ωs的不断增大，黏聚力达到峰值后开始衰减，此时接触面剪应力主要由后者提供，由于粗糙接触面的凹槽较深，碱渣土相互错动提供的剪应力较大，因此剪切力—剪切位移曲线表现为应变硬化的“双曲线型”。

由表1可知，尽管表中τ-σ的关系式形式相同，但c,φ的值明显不同，说明接触面粗糙度对接触面的内摩擦角和黏聚力有着一定的影响。

图5 结构面的剪切强度与法向应力的关系曲线及其拟合曲线

表2 接触面黏聚力和内摩擦角统计表

由表2可见，碱渣土—结构接触面的粗糙度对接触面内摩擦角的影响较小，而对接触面的黏聚力的影响较大；主要原因可能是碱渣土与结构接触面的剪应力的组成较为复杂，不仅有碱渣土与混凝土结构表面的黏聚力，粗糙部分充嵌碱渣土与接触面上部土体的错动，碱渣土与结构表面的摩擦力等。法向应力和接触面的粗糙度对它们的影响程度不同，因此接触面的φ变化就没有明显规律性。

4 结语

根据试验结果，可以得出以下结论。

(1)碱渣土-结构接触面上的法向应力是影响接触面力学特性的重要因素，对于同样粗糙的碱渣土—结构接触面，其剪切强度随着法向应力的增加明显增大。

(2)碱渣土-结构接触面的粗糙度对接触面的黏聚力的影响较大，而对内摩擦角的影响较小，主要原因在于碱渣土与不同粗糙程度的接触面的剪应力组成较为复杂，法向应力和粗糙度对它们的影响程度不同造成的。

(3)本文研究的碱渣土中粉煤灰的取代率为20%，对于粉煤灰的取代率、剪切速率等因素对接触面剪切力学特性的影响有待在今后进行研究。

[1] 闫澍旺,侯晋芳,刘润.碱渣与粉煤灰拌合物的岩土工程及环境特性研究[J].岩土力学,2006(12): 2305-2308.

[2] 王芳,徐竹青,严丽雪,等.碱渣土工试验方法及其工程土特性研究[J].岩土工程学报,2007(8): 1211-1214.

[3] 孙树林,郑青海,唐俊,等.碱渣改良膨胀土室内试验研究[J].岩土力学,2012(6):1608-1612.

[4] 冀国栋,杨春和,刘伟,等.粉煤灰增强回填碱渣工程特性的试验研究[J].岩土力学,2015(8): 2169-2176.

[5] 曹军,张渊.工业碱渣的基本物理性质研究[J].能源与环境,2013(5):13-14.

[6] 曹军,蒋海斌,张渊.碱厂碱渣基本理化及工程性质研究[J].盐业与化工,2016(1):37-40.

[7] 夏红春,周国庆.土-结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验[J].中国矿业大学学报,2010(6): 831-836.

[8] 李键.粗糙度对粘性土-混凝土结构接触面力学特性的影响[D].长沙：中南大学,2014.

(责任编辑：孙文彬)

Experimental Study on the Shear Mechanical Behavior of the Interfaces between Caustic Soil and Structure

WANG Cheng-wu1, ZHOU Jun-zhong2, ZHU Peng-yu1, ZHANG Yuan1

(1. Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223001, China; 2. Zhongyijian Engineering Management Co. Ltd., Huai'an Jiangsu 223003, China)

Caustic Soil can be used as large-area backfill materials, but the theoretical study on interaction between caustic soil and structure lags is behind the engineering application. The improved direct shear apparatus is applied to the direct shear experiment on the caustic soil and three interfaces of different roughness. The findings show that the normal stress on the interface and the roughness have great effect on the shearing stress of interface and mechanical response. Mohr-Coulomb strength criterion can be employed to the caustic soil and structure interfaces. The roughness has less effect on the angle of internal friction while it has greater effect on cohesion.

caustic soil; interface; mechanical properties; experimental study

2016-07-23

王成武(1976-)，男，江苏淮阴人，讲师，硕士，主要从事岩土工程、建筑材料方面的教学与研究。

TU411

A

1009-7961(2016)05-0034-05