冻结条件下硫酸盐渍土与混凝土接触面力学特性试验研究

2020-11-23贾剑青李科技

三峡大学学报(自然科学版) 2020年6期

秦虎贾剑青李科技马亢

(1. 河西学院土木工程学院，甘肃张掖 734000； 2. 兰州交通大学交通运输学院，兰州 730070)

盐渍土是一种易溶盐含量大于0.3%，并具有溶陷、盐胀、腐蚀等工程特性的特殊土[1]．盐渍土在河西地区的酒泉、张掖、武威地区的冲积平原低洼地带广泛分布，其中大面积分布在季节冻土区．近年来，随着西部大开发战略、城镇化战略和“一带一路”战略的实施，高等级公路、高速铁路、大型飞机场、大型水利等工程在河西地区建造和运营，盐渍土与结构物相互作用的问题经常遇到，如大型管桩的压入、沉井基础的下沉等，而结构物与土体的摩擦和黏结能力与土体与土体的接触是不同的[2]．

接触面力学特性的研究对于正确分析土与结构体的各自变形及评价土与结构系统的稳定具有重要意义[3]，Zhao Lianzhen等[4]利用大型多功能直剪仪，研究了4种恒定法向应力和4种负温下人工冻土-结构界面的循环直剪特性；Shi Quanbin等[5]为了探讨冻结细砂与结构物接触面冻结强度的机理，采用直剪仪进行了一系列试验;石泉彬等[6-7]为探究冻土与结构接触面冻结强度影响因素及其影响规律，依据接触面冻结强度传统定义，应用压桩法原理研制冻土与结构接触面冻结强度测定系统，并利用该系统开展多影响因素条件下接触面冻结强度测定试验研究．目前，众多学者就土体与工程结构接触面力学特性从室内试验、理论分析和数值计算等几方面开展了广泛的研究并取得了丰硕成果[8-19]，但这些成果主要集中在一般黏性土、粗粒土、膨润土、砂土、冻结砂土、高塑性黏土、红黏土、冻结粉土、黄土、建筑砂、标准砂、粉土与结构接触面相互作用方面，而针对河西地区广泛分布的盐渍土这类特殊土体与工程结构接触面的研究相对较少，缺乏相关理论研究．

土与结构接触面的力学特性和土与结构材料的特性以及所处环境密切相关，土体与结构接触面的力学特性是否受季冻区盐渍土环境的影响，其影响的大小如何，需要进行试验研究确定．鉴于此，本文选用河西季节性冻土区的硫酸盐渍土为研究对象，采用应变控制直剪仪开展了冻结条件下盐渍土与混凝土接触面的剪切试验，初步分析和探讨了含盐量对盐渍土与混凝土接触面剪切强度的影响规律及影响程度大小，以期为河西季节冻土区冻土工程的设计提供一些参考．

1 试验条件

1.1 试验材料

试验土料取自甘肃张掖临泽县某工程现场的天然盐渍土，取样深度为0.5～1 m，密封包装后运回实验室对天然盐渍土进行化学性质测定，测定结果为易溶盐中阳离子以Na+、K+为主，阴离子以SO42-、Cl-为主，Cl-/SO42-<0.3，依据《岩土工程勘察规范》(GB500021—2001)的含盐量分类规定，确定研究区域内的盐渍土类型主要为硫酸盐渍土，天然盐渍土的物理性质指标见表1．混凝土试样采用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、标准砂和抗冻剂，按配合比(表2)搅拌制成，并养护28 d后取用，标准砂的颗粒级配曲线如图1所示．

表1 土的物理性质指标

表2 混凝土配合比 (单位：kg/m3)

图1 标准砂颗粒级配曲线

1.2 试样制备

河西地区环境的不同使得所取天然盐渍土的易溶盐含量有所不同，现场取样测试结果表明，天然盐渍土的易溶盐含量在0.27%～3.06%之间，为了更好的定量分析含盐量对盐渍土与混凝土接触面剪切强度的影响规律及影响程度大小，将试样的制备分3个步骤完成．

第1步为盐渍土试样的制备．将采集的天然盐渍土进行全脱盐处理使之成为素土，然后风干碾碎过2 mm筛，采用Na2SO4质量百分比0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%制备相应浓度的盐溶液与素土搅拌，按设定的含盐量制备初始含水率分别为11%、13%、15%、17%的土样放入保鲜袋中密封闷料48 h，为避免土体中盐分的不均匀分布，制备盐溶液时采取了加热处理的方式．本试验中土体含盐量的设定，充分考虑了河西地区土体含盐量的变化范围，以及土体盐渍化程度进一步加剧的变化规律．

第2步为混凝土试块的制备．使用甘肃山丹水泥厂生产的普通硅酸盐水泥，用环刀制备直径61.8 mm，高度为10 mm，强度等级为C30的混凝土试块(为保持所有试样条件的一致性，全部试验均采用岩石磨面机按相同操作及步骤对表面进行了统一光滑处理，保证试验表面光滑平整，肉眼下未见混凝土缺陷、裂缝及颗粒起伏，粗糙度低)，为了避免盐渍土试样和混凝土试块接触时水分流失，将制作好的混凝土试块饱和处理．

第3步为盐渍土与混凝土组合试样的制备．为使盐渍土与混凝土充分接触，将饱和处理的混凝土试块放入制样器下部，然后按照设计指标称取相应重量的土料，控制土体的压实度为80%、85%、90%、95%，然后采用静力压实法将盐渍土和饱和处理的混凝土试块一次成型制备成直径为61.8 mm、高度为20 mm的盐渍土与混凝土整体试样，确保其初始力学性质相同，如图2所示．制样的过程严格控制了接触面水平，确保了剪切发生在盐渍土与混凝土接触面上，最后将盐渍土与混凝土组合的整体试样放入低温冷冻箱，在-15℃环境下冻结12 h后取出进行直剪试验．

图2 盐渍土与混凝土组合试件

1.3 试验方法

目前，用于土与结构面接触特性研究的设备主要有直剪仪、单剪仪、环剪仪及大型直剪仪等．由于大型直剪仪一般对于现场粗颗粒土试验使用较多，故对于小试样土工试验往往采用直剪仪，本文试样尺寸较小，所以采用直剪仪即可满足要求．虽然直剪仪有其固有缺陷，但是由于其构造简单且土样制备相对容易，经常被用于进行界面研究[20]．本文剪切强度试验参照土工试验方法标准(GB/T 50123—1999)进行，设备采用南京土壤仪器厂生产的ZJ应变控制式直剪仪和低温冷冻试验箱，量力环测量精度为0.01 mm，温度控制精度为±0.5℃．试验法向应力分别为100、200、300、400 kPa，为保障试验在冻结条件下进行，将冷冻处理后的盐渍土与混凝土组合试样迅速置于直剪仪上施加所需法向应力，控制剪切速度0.8 mm/min进行快剪试验，以获得冻结条件下盐渍土与混凝土接触面的剪切强度．为了保证数据的可靠性，每个试验条件下进行3组平行试验，取最相近的两组平均值作为最终结果，试样的剪切强度取剪切应力-位移曲线的峰值点或者取剪切位移6 mm所对应的剪应力为抗剪强度．

2 试验结果

2.1 剪切应力-剪切位移关系

本文通过对比分析盐渍土自身(为了研究方便，约定土体自身内部的剪切面称为土体内部接触界面[16])以及盐渍土-混凝土接触面的剪切特性，来确定盐渍土-混凝土接触面之间的力学行为．图3为冻结条件下盐渍土自身、盐渍土与混凝土组合试样的接触面剪切应力与剪切位移关系曲线．受篇幅限制，文中仅给出了法向应力分别为100、200、300、400 kPa，压实度为85%，盐渍土含盐量为0.0%(无盐土)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%，剪切后实测土体含水率为13.5%的剪切应力与剪切位移关系曲线如图3所示．

图3 剪切应力-剪切位移关系曲线

由图3可知，在冻结条件下，盐渍土自身、盐渍土与混凝土组合试样的剪切应力-剪切位移曲线整体呈非线性变化，在试验的初始阶段剪切应力增长较快，表现在剪切应力-剪切位移曲线上即曲线较陡，且接触面达到峰值强度时对应的法向应力越大，说明接触面的剪切强度与法向应力密切相关，接触面破坏时对应的法向应力越大，剪切强度越高．可以认为，法向应力一方面使土体本身越密实，另一方面使土颗粒嵌入混凝土凹凸表面，使得界面剪切强度大大提高．

接触材料类型不同，使得剪切应力-剪切位移关系曲线表现明显不同．在对图3试验结果进行分析后发现，冻结条件下，盐渍土自身、盐渍土与混凝土组合试样的剪切特征表现存在明显的区别．剪切过程中盐渍土体自身在发生屈服后，剪切应力随着剪切位移的增加基本趋于稳定，直到试验结束也不存在明显的应力峰值，表现出明显的应变硬化特征，这主要是由于土粒的破碎随剪切位移的增大而增多，孔隙比逐步减小，密度增大，因此剪切强度提高．

盐渍土与混凝土组合体试样在达到剪切破坏前接触面始终保持着胶结状态，剪应力达到剪切强度时试样突然破坏，剪切应力-剪切位移表现为脆性破坏特征，存在明显的峰值应力，可能是在水平推力的作用下，当剪切应力达到盐渍土与混凝土接触面剪切强度时，接触面间的胶结状态突然发生破坏，盐渍土相对混凝土突然滑动，使得接触面强度得到充分发挥，在实验过程中也能观察到测力计指针明显倒退甚至归零现象．而盐渍土自身剪切破坏后，上下剪切盒中的土体又会产生再胶结，在剪应力达到抗剪强度后继续产生黏滑，土体表现为较强的塑形变形能力．这种现象也说明在低温条件下盐分在土中的相态变化直接影响盐渍土的力学特性，进而影响盐渍土与混凝土接触面的力学特性．在相同条件下，与盐渍土的剪切相比，盐渍土与混凝土接触面的剪应力到达剪切强度时所需的位移较小，这种现象在各级法向应力下均表现得较为明显．

2.2 剪切强度-法向应力关系

通过试验观察发现，盐渍土自身剪切试验时接触面的破坏发生在土体中，试验测得的是盐渍土的剪切强度指标；盐渍土与混凝土组合试样的剪切破坏发生在土与结构的接触界面上，试验测得的是盐渍土与混凝土接触面的剪切强度指标．以法向应力为横坐标，剪切强度为纵坐标，绘制冻结条件下，土体压实度85%，含水率13.5%、盐渍土含盐量为0.0%(无盐土)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的土体自身、盐渍土与混凝土组合试样的剪切强度-法向应力关系曲线，如图4所示．

图4 剪切强度-法向应力关系曲线

由图4可知，在各级法向应力作用下，盐渍土自身、盐渍土与混凝土组合试样的剪切强度-法向应力曲线的变化规律是相似的，剪切强度随着法向应力的增大而增大，但盐渍土与混凝土组合试样界面的剪切强度低于盐渍土自身的剪切强度，说明界面处比土体更容易发生破坏．这主要归因于盐渍土的破坏是土颗粒自身的剪切破坏，属于土体材料的结构性破坏，盐渍土与混凝土组合试样在界面的破坏属于滑移型破坏，属于弱面破坏，两者具有本质差异，由于本次研究混凝土界面均作了光滑处理，这对于实际工程中统一标准下生产的预制桩与土界面比较适合，对于现浇混凝土工程不一定适合．

通过对试验数据的回归分析，本文选用线性关系描述冻结条件下，盐渍土自身、盐渍土与混凝土组合试样抗剪强度与法向应力关系如下式：

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ为盐渍土自身、盐渍土与混凝土组合试样接触面抗剪强度(kPa)；c为接触面黏聚力(kPa)；σ为法向荷载(kPa)；φ为接触面内摩擦角(°)．

式(1)说明盐渍土自身、盐渍土与混凝土组合试样强度准则均符合莫尔-库仑强度准则．

表3为不同法向应力条件下盐渍土自身、盐渍土与混凝土组合试样接触界面的抗剪强度参数．

表3 各界面的抗剪强度参数

从表3可以看出，在冻结条件下，盐渍土自身、盐渍土与混凝土接触面间的内摩擦角均随着土体含盐量的增大表现为先增大后减小的趋势，变化范围不大，盐渍土的内摩擦角变化范围在28.14°～33°之间，盐渍土与混凝土接触面的内摩擦角变化范围在27.63°～30.69°之间，而盐渍土自身、盐渍土与混凝土接触面的黏聚力随着土体含盐量的增大表现为先减小后增大的趋势，且变化范围较大，盐渍土在27.56～54.81 kPa间变化，接触面在18.88～46.99 kPa间变化，说明在冻结条件下，土体含盐量对盐渍土自身、盐渍土与混凝土接触面剪切强度指标均有影响，且对黏聚力的影响大于内摩擦角的影响．另一方面也说明盐渍土与混凝土接触面间的黏聚力和内摩擦角是由盐渍土、结构共同控制的，而不仅仅取决于盐渍土体或结构本身．

从表3还可以看出，冻结条件下盐渍土自身的黏聚力和内摩擦角均大于盐渍土与混凝土接触面的黏聚力和内摩擦角，说明盐渍土与混凝土接触面间的剪切强度是由盐渍土中的冰晶和接触面间的胶结力以及土体与接触面间的内摩擦角和黏聚力共同决定，而胶结力的存在弱化了盐渍土与接触面间内摩擦角和黏聚力对接触面剪切强度的贡献，在剪切试验结束后，混凝土表面光滑且残留肉眼可见的冰晶可以验证这一点．

在土与结构的相互作用研究中，龚辉，赵春风，陶帼雄，等[19]运用了量纲一的界面摩擦有效系数E和黏聚有效系数C来表征界面抗剪强度，如式(2)、(3)所示．

(2)

(3)

式中：tanδ，tanφ分别为界面和土体摩擦因素；Ca，C分别为界面和土体的黏聚力．

图5为界面摩擦有效系数、界面黏聚有效系数与土体含盐量关系曲线．

图5 界面摩擦、黏聚有效系数与含盐量关系曲线

由图5可知，界面摩擦有效系数和黏聚有效系数与土体含盐量的变化趋势相似，均随含盐量增大而降低，界面黏聚有效系数随含盐量的增大近线性下降，含盐量3%时降幅达到了38.4%，而界面摩擦有效系数减小降幅不大，不同含盐量的界面摩擦有效系数均在1左右，说明土体含盐量对界面黏聚有效系数的影响比界面摩擦有效系数的影响大．