砂土−结构接触面剪切特性大型直剪试验研究

杨鑫，崔宏环，张立群，崔颖辉



砂土−结构接触面剪切特性大型直剪试验研究

杨鑫1, 2，崔宏环1, 2，张立群1, 2，崔颖辉3

(1. 河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点试验室，河北 张家口 075000；2. 河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000；3. 中国铁道科学院 铁建所岩土室，北京 100081)

为充分开发铁尾矿和建筑废料在砂土地区铁路路基工程中的价值，研究土与结构物接触面的力学特性，对现有的大型直剪仪进行改造，设计试验方案完成24组单向直剪试验，对砂土与不同混凝土类型接触面的应力-应变曲线及其破坏形式进行分析。研究结果表明：随着法向应力的增加，接触面破坏形式由接触面发生滑动破坏到接触面附近的砂土自身发生硬化型破坏过渡；/−近似为一次函数关系；当含水率一定时，铁尾矿再生混凝土接触面的剪切模量高于普通混凝土接触面的剪切模量，同时铁尾矿再生混凝土接触面的黏聚力大于普通混凝土，由此表明，铁尾矿再生混凝土接触面抵抗剪切的能力高于普通混凝土接触面，论证了铁尾矿再生混凝土接触面的粗糙度大于普通混凝土接触面这一观点，因此，将铁尾矿再生混凝土替代普通混凝土应用到实际工程中是可行的。

铁路路基；铁尾矿再生混凝土；接触面；大型直剪试验

近年来，我国交通运输行业处于高速发展阶段，特别是在新技术的支持下，现代交通运输建设的质量和水平有了明显的改善。路基作为铁路最重要的组成部分，其沉降变形与火车能否高速安全的运行息息相关。其中软弱地基的存在对铁路路基建设有着严重的阻碍，因此采用科学合理的方式对软弱地基进行处理就显得尤为重要。目前，国内对铁路路基处理和沉降控制进行了一系列的探索研究，主要集中于土与地下结构物相互作用的问题，而在相互作用过程中起到决定性作用的是土与结构物接触面的力学特性[1−7]。同时，随着我国城市化建设速度的急剧加快，在城建改造中产生了大量的建筑垃圾和废料，其中大多数为废弃混凝土。目前，许多国家对废弃混凝土的二次开发利用进行了积极的探索研究，并制定了相应的规程和规范[8−10]。我国在这方面的研究虽落后于其他国家，但也取得了一定的成果，只是这些成果主要集中于再生骨料的基本物理性能以及再生混凝土的耐久性和力学性能等方面[11−13]。而将其应用于铁路路基处理工程，研究土与结构面的力学特性相对缺乏。基于上述研究，笔者通过大型全自动直剪仪对张家口地区砂土与混凝土进行直剪试验，分析不同含水率条件下的砂土在0，20，50和100 kPa 4个法向应力条件下与不同混凝土类型接触面的力学特性和作用机理。

1 试验仪器

本文试验所采用的大型直剪仪如图1(a)所示，为对砂土与混凝土接触面的力学特性进行探究，需对仪器进行改造，将现有的剪切盒替换为自制模具，其示意图如图1(b)所示。模具分为上下2个装置，其中下部分为砂土安放装置,尺寸为200 mm×200 mm×100 mm，且底盖可拆卸，以便安放加压装置。模具的上部分为混凝土浇筑装置，尺寸为198 mm×198 mm×100 mm小于砂土安放装置，其目的是保证混凝土完全浇筑在砂土上,以免影响试验数据精度。同时，为了保证混凝土浇筑装置整体的稳定性，将其设计为长短板组合形式，并且长板内侧存在3 mm宽的凹槽，用来固定短板位置，防止其移动。2根螺栓的采用，目的是利于混凝土脱模。直剪试验装置如图1所示。

2 试验概况

2.1 试验材料

试验材料取自张家口市河北建筑工程学院试验基地的标准中砂，以便于研究张家口地区砂土地基处理结果的评价与比较，其粒径分布和基本物理性能见表1和表2。混凝土采用满足地基处理的C25普通混凝土和铁尾矿再生混凝土，其中再生骨料来源于张家口市某街区房屋拆迁的废弃混凝土，天然骨料采用张家口市某采石场生产的碎石，基本物理性能试验结果见表3。

通过表3可以看出，再生骨料的含水率、吸水率均高于天然骨料，这是由于废弃混凝土在初配阶段吸收了大量的水，即使经过拆迁搁置了很长时间，它的含水量仍然较高。同时在破碎废弃混凝土形成再生骨料的过程中，不仅会产生许多裂缝和棱角，而且大量的水泥砂浆也会包裹在骨料表面。这些因素使得再生骨料的吸水率和含水率均高于天然骨料。因此铁尾矿再生混凝土的配制需要考虑再生骨料含水率和吸水率高的特点，应在配制普通混凝土所需用水量的基础上再增加一部分用水量，这部分用水量称为附加水量。混凝土配合比见表4。

表2 砂土的基本物理性能

表3 粗骨料的基本物理性能

表4 混凝土配合比

2.2 试样制备及试验方案

按砂土最优含水率10%±2%进行初步配制，并用保鲜袋和保鲜膜进行包裹，保养1~2 d，使砂土充分吸收水分后，将其分层填入砂土填埋装置，并压实。安装混凝土浇筑装置，分别将不同类型的混凝土(普通混凝土、铁尾矿再生混凝土)装入模具，并振捣密实。24 h后拆除混凝土浇筑装置，并放入标准养护室，进行为时14 d养护。

利用全自动大型直剪仪通过控制法向应力(5，20，50和100 kPa)对不同含水率的土体与不同混凝土类型接触面进行24个单向直剪试验，在试验过程中，将制备完毕的试样颠倒放置，上部为试验土体，下部为混凝土，其目的是在施加法向应力后，保证试验进行时，剪切位置仍在接触面上，同时试样安装完毕后，将土体填埋装置向上提升2~3 mm，以免浇筑在土体上的混凝土存在凸起部分，在剪切时，卡到模具影响试验数据准确性。接触面试验如图1所示。

3 试验结果及分析

3.1 接触面剪应力-剪切位移曲线

通过参照前人的试验结果，发现法向应力对接触面的剪切特性有极其重要的影响。当砂土的含水率一定时，由于施加在接触面上法向应力的异同，接触面的应力−应变曲线特性有明显的差异。根据上述试验方案进行大型直剪接触面试验测得不同法向应力条件下应力−应变曲线，其试验结果如图2~4所示。

(a) τ−w曲线；(b) w/τ−w曲线

(a) τ−w曲线；(b) w/τ−w曲线

(a) τ−w曲线；(b) w/τ−w曲线

1) 通过图2可以看出，对于含水率为8%的砂土与混凝土的接触面：当作用在接触面上的法向应力≤50 kPa，−曲线都存在明显的峰值，并且在达到峰值后，随着试验的进行，−曲线趋于水平；当法向应力增加至100 kPa时，此时−曲线有明显的不同，不存在峰值且表现为双曲线型。

2) 对于含水率为10%和12%的砂土与混凝土的接触面：当作用在接触面上的法向应力≤20 kPa时，−曲线特性与含水率为8%的情况一致；当法向应力增加至≥50 kPa时，−曲线特性表现为双曲线型。

综上所述：法向应力对接触面的剪切特性影响较大，并且当作用在接触面上的法向应力较小时，−曲线为峰值型，这是由于在试验初期阶段，试样抵抗剪切能力较强，此时砂土与混凝土接触面的抗滑动能力大于砂土自身抗剪强度，接触面附近的砂土首先发生软化型破坏，并且当破坏至一定程度，迅速进入到接触面滑动破坏阶段，此时砂土与混凝土接触面的抗滑动能力小于砂土自身抗剪强度，接触面发生滑动破坏，表现为−曲线趋近于水平；当作用在接触面上的法向应力较大时，−曲线为双曲线型，原因是此时法向应力较大，砂土与混凝土接触面被充分压密，导致接触面抗滑动能力增大，且远大于砂土自身的抗剪强度，接触面附近的砂土发生硬化型破坏，且接触面未发生破坏。其破坏示意图如图5所示，由于砂土组成中砂粒含量较高，并且这些砂粒会填充到混凝土骨料缝隙之间，所以当在接触面发生滑动破坏时，并不能看到接触面处的混凝土。但是通过图5仍然可以看出，包裹在混凝土上的砂土明显双曲线型破坏形式要多一些，即双曲线型破坏形式所处的破坏位置距离接触面更远一些，因此上述分析结果是合理的。

其中：，与，值有关，需要进行试验并且拟合数据得到。

4) 当砂土的含水率和施加在接触面上的法向应力保持一定时，通过图2~4可以看出，砂土与铁尾矿再生混凝土接触面的−曲线均高于砂土与普通混凝土接触面的−曲线，这是由于再生骨料棱角多的特点，直接将铁尾矿再生混凝土浇筑在砂土上，经过振捣，再生骨料的棱角会扎入砂土中，其接触面的粗糙度和试样的完整性高于砂土与普通混凝土接触面的粗糙度和试样的完整性，致使接触面剪应力增大。

(a) 峰值型破坏形式；(b) 双曲线型破坏形式

当法向应力一定，对于不同含水率条件下的砂土和不同混凝土类型接触面的−曲线如图6所示。由图6可知：

1) 含水率对接触面的剪切特性影响较大：含水率较小时(8%)，−曲线在法向应力≤50 kPa，表现为峰值型，当法向应力增加至100 kPa，表现为双曲线型；含水率较大(10%和12%)时，−曲线在法向应力≤20 kPa，表现为峰值型，≥20 kPa时全部表现为双曲线型。

2) 同时，从图6中还可以看出，当法向应力和含水率一定时，铁尾矿再生混凝土接触面的初始剪切模量高于普通混凝土接触面的初始剪切模量，剪切模量概念图见图7，其具体数值见表5。由此表明，铁尾矿再生混凝土接触面抵抗剪切的能力高于普通混凝土接触面，从另一个角度再一次论证了铁尾矿再生混凝土接触面的粗糙度是大于普通混凝土的，因此将铁尾矿再生混凝土替代普通混凝土应用到实际工程中是可行的。

剪切模量可用剪应力与剪切位移之间的关系来表示，其关系式如式(2)：

图7 剪切模量概念图

经过上述分析可知，当法向应力较小时接触面的破坏形式表现为：接触面附近少部分砂土发生软化型破坏，并且破坏至一定程度迅速进入接触面发生滑动破坏阶段，通过图2~4可看出，砂土发生软化阶段时间较短，因此可近似认为此破坏形式为接触面发生滑动破坏；当法向应力较大时接触面破坏形式表现为：接触面附近砂土自身发生硬化型破坏。综上所述，随着法向应力的增加，接触面破坏形式由接触面发生滑动破坏到接触面附近的砂土自身发生硬化型破坏过渡。为了验证此分析是否准确，补充最优含水率(10%)条件下砂土自身的剪切试验，并与接触面试验结果进行对比，其试验装置与结果如图8~9所示。

表5 接触面剪切模量

图8 砂土自身剪切试验装置

图9 接触面与砂土对比图

由图9可以看出：当作用在接触面或砂土上的法向应力不同时，在试验的初期阶段，砂土自身的−曲线与接触面的−曲线基本重合，但是这一阶段过后，接触面的−曲线从砂土−曲线分离出来。法向应力≤20 kPa时，砂土自身的−曲线达到峰值后，剪应力下降，而接触面的−曲线达到峰值后趋近于水平；法向应力增至≥50 kPa时，砂土自身的−曲线和接触面的−曲线都表现为双曲线，并且随着法向应力增加到100 kPa，2条曲线几乎重合。由此说明随着法向应力的增加，接触面破坏形式由接触面发生滑动破坏到接触面附近的砂土自身发生硬化型破坏过渡的结论是正确的。

3.2 接触面抗剪强度

通过上述试验分析可知，法向应力和砂土的含水率对接触面的应力−应变特性有较大的影响。当法向应力较小时，此时在试验初期阶段，砂土自身的抗剪强度小于接触面的抗滑动强度，砂土发生软化型破坏，因此−曲线的峰值即为此破坏类型下接触面的抗剪强度；当法向应力增加到≥50 kPa时，−曲线为双曲线型，此时砂土自身的抗剪强度小于接触面的抗滑动强度，砂土发生硬化型破坏，根据参考常规直剪试验规范，取剪切位移为试样直径的1/15~1/10时所对应的剪应力为接触面的抗剪强度[14]，但是通过查阅前人研究结果发现剪切位移在10 mm以内，试样即可认定破坏[15]，因此综合考虑本次试验结果，选取剪切位移10 mm所对应的剪应力为此类型下的抗剪强度。

本文试验所得各种法向应力、含水率以及混凝土类型下的接触面破坏类型和抗剪强度见图2~4，其值如表6所示。各种情况下接触面的抗剪强度与法向应力关系如图9所示。

表6 接触面抗剪强度

通过图10可知，在试验法向应力范围内，接触面的抗剪强度与法向应力拟合后呈线性关系，并且接触面的抗抗剪强度可表示为与土摩尔−库伦剪切强度相似的关系式：=+tan，其中和分别为接触面的黏聚力和内摩擦角。通过图9中的拟合强度包线，可得出不同类型混凝土接触面在不同含水率条件下的抗剪强度指标，见表7。

由表7可知：当含水率一定时，铁尾矿再生混凝土接触面的黏聚力都大于普通混凝土，结合上文：铁尾矿再生混凝土接触面的−曲线均高于砂土与普通混凝土接触面的−曲线、铁尾矿再生混凝土接触面的初始剪切模量高于普通混凝土接触面的初始剪切模量这2点结论，由此表明铁尾矿再生混凝土接触面抵抗剪切的能力高于普通混凝土接触面，论证了铁尾矿再生混凝土与砂土的接触面粗糙度大于砂土与普通混凝土接触面的粗糙度这一观点，因此将铁尾矿再生混凝土替代普通混凝土应用到实际工程中是可行的。

(a) 普通混凝土；(b) 铁尾矿混凝土

表7 接触面抗剪强度指标

4 结论

1) 法向应力、含水率和混凝土类型是影响接触面应力−应变曲线的重要因素。当法向应力较小时，−曲线有明显的峰值，并且在达到峰值后，随着试验的进行，应力−应变曲线趋于水平，这意味着在试验初期阶段砂土发生软化型破坏，并且当砂土破坏至一定程度，迅速进入接触面滑动破坏阶段；随着法向应力增加到≥50 kPa时，接触面应力−应变曲线无峰值，并表现为双曲线，意味着砂土自身发生硬化型破坏形式。

3) 随着法向应力的增加，接触面破坏形式由接触面发生滑动破坏到接触面附近的砂土自身发生硬化型破坏过渡。

4) 当含水率一定时，铁尾矿再生混凝土接触面的−曲线均高于砂土与普通混凝土接触面的−曲线，铁尾矿再生混凝土接触面的初始剪切模量高于普通混凝土接触面的初始剪切模量，铁尾矿再生混凝土接触面的黏聚力都大于普通混凝土，通过上述结论说明铁尾矿再生混凝土接触面抵抗剪切的能力高于普通混凝土接触面，论证了铁尾矿再生混凝土与砂土的接触面粗糙度大于砂土与普通混凝土接触面的粗糙度这一观点，因此，将铁尾矿再生混凝土替代普通混凝土应用到实际工程中是可 行的。

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(编辑 涂鹏)

Large direct shear test on the contact surface of regenerated concrete from fine sand-iron tailings

YANG Xin1, 2, CUI Honghuan1, 2, ZHANG Liqun1, 2, CUI Yinghui3

(1. Hebei Key Laboratory for Diagnosis Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering, Zhangjiakou 075000, China;2. School of Civil Engineering, Hebei University of Architecture, Zhangjiakou 075000, China; 3. Geotechnical Chamber of the Institute of Railway Construction, Chinese Academy of Railway Sciences, Beijing 10081, China)

In order to fully develop the value of iron tailings and construction waste in railway subgrade engineering in fine sand area, the mechanical properties of the interface between soil and structure were studied, modification of the existing large direct shear apparatus, the design test scheme completed 24 unidirectional direct shear tests, and the stress-strain curves and failure forms of the contact surfaces of fine sand and different concrete types were analyzed. The results show that with the increase of normal stress, the failure form of contact surface changes from sliding failure of contact surface to hardening failure transition of sand soil near contact surface;/−is approximately a function of one time; When the water content is constant, the shear modulus of reclaimed concrete contact surface of iron tailings is higher than that of ordinary concrete contact surface, at the same time, the cohesive force of the contact surface of regenerated concrete in iron tailings is greater than that of ordinary concrete, suggesting that iron tailings recycled concrete interface shear stress resistance higher than that of ordinary concrete interface, it is proved that the roughness of the surface of regenerated concrete in iron tailings is greater than that of ordinary concrete, Therefore, it is feasible to apply regenerated concrete from iron tailings instead of ordinary concrete in practical engineering.

railway subgrade; iron tailings recycled concrete; contact surfaces; large-scale direct shear test

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.05.013

TU43

A

1672 − 7029(2019)05 − 1207 − 09

2018−07−07

国家自然科学基金资助项目(41731288，41701088)；河北省教育厅重点项目(ZD2018101)

崔宏环(1974−)，女，河北张家口人，教授，从事非饱和土基本性质与本构模型研究；E−mail：cuihonghuan729@163.com