非水反应高聚物与土工材料的界面剪切特性

王钰轲，万永帅，刘 琪，郭成超，石明生

(1.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001; 2.郑州大学 重大基础设施检测修复技术国家地方联合工程实验室，河南 郑州 450001; 3.郑州大学 水利与交通基础设施安全防护河南省协同创新中心，河南 郑州 450001; 4.中山大学 土木工程学院，广东 广州510275)

具有自膨胀特性的双组分非水反应类高聚物材料在解决特定复杂的工程灾害问题中有突出的效果，是目前工程领域重点关注的研究方向，已在高铁无砟轨道、地下管道、道路、厂房等结构物抬升等工程，以及堤坝及地下工程防渗抢险中得到了广泛应用[1-3].由于其具有安全环保、反应迅速且可调节、膨胀率高、抗渗防水、耐久性好等一系列特点且综合性能优良，在隧道、公路、桥梁、铁路、大坝等基础设施的加固和维修方面展现出广阔的发展前景[4-8].

随着化学材料在各类土建工程中越来越广泛的应用，对本团队所提出的高聚物注浆材料的各项物理、化学及力学特性的深入研究显得尤为重要.目前，已有很多学者就高聚物注浆材料的静态力学性能、动态力学性能、耐久性、膨胀特性、水稳性、温度稳定性、界电特性、隔振性能等方面展开了相关研究[9-16].郑新国[7]模拟了无砟轨道结构抬升时的重力反压作用，研究了反压成型高聚物注浆材料的膨胀特性及其固结体的力学性能.王娟等[8]通过单轴压缩试验研究了轴压荷载作用下高聚物碎石混合料的力学响应，针对不同高聚物密度和碎石粒径对桩体强度的影响规律进行了探讨.边学成等[13]通过大型模型试验研究了高速铁路路基沉降高聚物注浆修复后的动态力性能.石明生等[14]研究了高聚物注浆材料的吸水特性及温度变化对材料体积的影响，同时也探究了高聚物吸水后的胀缩特性.孟美丽等[15]采用网络分析仪技术，对不同密度的试件在不同频率下的介电性能进行了试验研究和影响因素分析，研究了其介电特性和力学特性之间的关系.陈洋洋等[16]对某干涸河床一侧的土坝坝顶进行了高聚物的隔振性能试验，初步给出了高聚物注浆屏障隔振技术路径可行性的试验依据，为进一步的理论研究和分析工作奠定基础.

关于高聚物浆液成型后与其他土工材料接触界面的力学特性研究尚未见报道.而关于土工材料的界面剪切特性，已有大量的研究.如：Liu等[17]和Wang等[18]通过一系列直剪以及循环剪切试验来探究土工格栅与土的界面特性，考虑了土颗粒粒径、竖向应力、剪切速率和剪切位移峰值等因素对筋-土界面力学性能的影响；刘方成等[19]通过单调直剪试验研究了接触面粗糙度、竖向应力以及土的物理状态对粉质黏土-混凝土界面力学性能的影响；王永洪等[20]通过直剪试验研究了剪切速率和竖向应力对黏性土-混凝土界面抗剪强度的影响；石熊等[21]采用大型直剪仪进行红黏土与混凝土接触面的单向直剪试验，研究了不同法向应力与不同混凝土表面、不同粗糙度条件下红黏土-混凝土界面的力学特性；徐超等[22]通过直剪试验研究了剪切速率、竖向应力和材料特性对土工合成材料-砂土界面抗剪强度的影响；黄文彬等[23]通过直剪试验研究了剪切速率对土工合成材料-砂土界面特性的影响.

本文基于单调直剪试验，对高聚物-土工布界面与高聚物-砂土界面的剪切特性进行研究，主要考虑剪切速率v、竖向应力p对界面剪切应力、剪切位移、抗剪强度和剪切模量的影响，旨在为非水反应类高聚物材料在实际工程中的应用提供初步的数据参考和理论支撑.

1 试验

1.1 原材料

高聚物为非水反应类双组分发泡体，属于聚氨酯类材料.砂土试样为单一粒径(1～2mm)的石英砂，其干密度为2.65g/cm3.土工布的单位面积质量为300g/m2，横向抗拉强度为12kN/m，纵向抗拉强度为10kN/m，横向极限断裂延伸率为64%，纵向极限断裂延伸率为70%.

1.2 试件的制备

注浆模具主要由上、下中空的立方体铁壳、铁盖板、长通丝以及盖板上的注浆头等组成。试样制备过程为：用长通丝将上、下底面的钢板通过螺丝固定,将2个钢板压在立方体的上、下2个面上，中空的立方体与上、下钢板之间用双层石棉纸密封并涂上润滑油，然后通过注浆头开始注浆，注浆量根据方案设计的高聚物密度进行确定；25℃下约1h后拆模，使高聚物浆液完全反应，并形成足够的强度，从而确保脱模成功；将试样在车床上进行加工，去掉边角以及注浆头位置处不规整的固结部分，即得到试件.试件尺寸有2种，分别为300mm×300mm×150mm和400mm×300mm×150mm，其密度均为0.2g/cm3.

1.3 试验方法

采用改进的大型直剪仪，包括上、下2个剪切盒，其盒内净尺寸分别为300mm×300mm×150mm、400mm×300mm×150mm.为了实现剪切过程中剪切面积的恒定，下剪切盒沿剪切方向上的长度大于上剪切盒的长度，实行位移控制的直剪试验.剪切试验过程中，上剪切盒固定不动，下剪切盒在剪切方向上移动，并由高精度电机带动一系列齿轮来加以控制，其水平方向的最大剪切位移可达100mm，可控制的剪切速率范围为0.00003～15mm/min.本试验设定的剪切位移幅值为30mm，当剪切位移达到30mm时结束试验.单调直剪试验方案见表1.

表1 单调直剪试验方案

2 结果及分析

2.1 剪切速率对剪切应力-剪切位移曲线的影响

竖向应力p分别为50、100、150kPa时，高聚物-土工布界面的剪切应力-剪切位移(τ-γ)曲线见图1.由图1可见：不同剪切速率下高聚物-土工布界面的剪切应力-剪切位移曲线均呈现出相似的规律，即剪切应力均随着剪切位移的增大而增大，到达峰值以后剪切应力轻微减小后达到稳定状态，即表现出剪切软化的特性；不同剪切速率下τ-γ曲线走势比较接近，但其剪切应力峰值及其对应的位移略有差别；剪切应力峰值随着剪切速率的增大而减小，但下降幅度不大，说明剪切速率对高聚物-土工布界面的剪切特性具有一定的影响.

由图1还可见：当竖向应力p=150kPa，剪切速率分别为2、3mm/min时，与其他加载条件下的情况不同，当剪切应力随着剪切位移达到峰值后开始发生明显的持续减小，这可能是由于土工布结构发生变化，因而随着剪切位移的增大，剪切应力发生持续减小的现象.

竖向应力p=100kPa时，高聚物-砂土界面的剪切应力-剪切位移曲线见图2.由图2可见：与高聚物-土工布界面的剪切应力-剪切位移曲线相似，不同剪切速率下高聚物-砂土界面的剪切应力也是随剪切位移增大而增大，到达峰值以后剪应力减小，减小到一定程度后又趋于平缓，亦呈现出剪切软化的特性；各剪切速率下曲线的剪切应力峰值及其对应的剪切位移值差别不大.

图1 高聚物-土工布界面的剪切应力-剪切位移曲线Fig.1 τ -γ curves of polymer-geotextile interface

图2 高聚物-砂土界面的剪切应力-剪切位移曲线Fig.2 τ -γ curves of polymer-sand interface(p=100kPa)

2.2 竖向应力对剪切应力-剪切位移曲线的影响

由图1(b)可见：剪切速率v=2mm/min时，不同竖向应力下高聚物-土工布界面的剪切应力-剪切位移曲线均呈现出相似的规律，即剪切应力均随着剪切位移的增大而增大，到达峰值以后剪切应力减小，减小到一定值后又逐渐趋于平缓，表现出剪切软化的特性；不同竖向应力下曲线的剪切应力峰值及其对应的剪切位移值差别十分明显.

2.3 剪切速率对抗剪强度的影响

界面的抗剪强度σs为界面剪切应力-剪切位移曲线的剪切应力峰值.由图1可见：当p=50kPa，剪切速率为2、3mm/min时，高聚物-土工布的界面抗剪强度值相比于剪切速率为1mm/min时减小了约20%；当p=100kPa 时，界面的抗剪强度在最大剪切速率下比剪切速率1、2mm/min下减小了约10%；当p=150kPa 时，界面的抗剪强度在剪切速率为1mm/min时最大，在剪切速率为3mm/min时最小，最小值比最大值减小了约2.5%.由此可见：在施加相同竖向应力的条件下，高聚物-土工布界面的抗剪强度随着剪切速率的增大而减小，但是减小的幅值不大；抗剪强度减小的幅值在竖向应力等于50kPa时最大，并且随着竖向应力的增大而减小；在竖向应力等于150kPa时，不同剪切速率下界面的抗剪强度几乎相同.由图2可见：当剪切速率v为2、3mm/min时，界面抗剪强度与v=1mm/min时相比，变化范围在9%以内；在v=2mm/min 时所得抗剪强度最大.

综上，在竖向应力给定的情况下，剪切速率对高聚物-土工布界面和高聚物-砂土界面的抗剪强度具有一定影响，但是影响不大.

2.4 竖向应力对抗剪强度的影响

由图1可见：相同剪切速率下，界面的剪切应力峰值随着竖向应力的增大而增大，且增加幅度很大；在剪切速率v=2mm/min下，随着竖向应力由50kPa 增加至150kPa，高聚物-土工布界面的抗剪强度由15kPa增至46kPa.表明竖向应力对高聚物- 土工布界面的抗剪强度具有明显的影响.

2.5 剪切速率对强度参数的影响

不同剪切速率下，高聚物-土工布界面的抗剪强度与竖向应力的拟合直线见图3.由图3可见：高聚物-土工布界面的抗剪强度随着竖向应力的增大呈近似线性增加，拟合直线相关系数为0.980，拟合度较好，表明该界面抗剪强度与竖向应力之间表现出了良好的线性相关性，遵循摩尔-库伦准则：

图3 高聚物-土工布界面的抗剪强度与竖向应力的拟合直线Fig.3 Relationship between shear strength and normal stress levels of polymer-geotextile interface

σs=ptanφ′+c′

(1)

式中：φ′为高聚物-土工布界面有效摩擦角；c′为高聚物-土工布界面似黏聚力.经计算可得，该界面似黏聚力均近似为0kPa，摩擦角为16.5°.

2.6 剪切速率对剪切模量的影响

高聚物-土工布界面的剪切模量(G)见图4.由图4可见，相同竖向应力作用下，随着剪切速率的增加，高聚物-土工布界面的剪切模量均呈逐渐增大的趋势，但增加幅度不大.由此可见，剪切速率对高聚物- 土工布界面的剪切模量影响较小.

图4 高聚物-土工布界面的剪切模量Fig.4 Shear modulus of polymer-geotextile interface

2.7 竖向应力对剪切模量的影响

由图4还可见，相同剪切速率下，随着竖向应力的增加，高聚物-土工布界面的剪切模量均呈明显增大的趋势.这表明竖向应力对高聚物-土工布界面的剪切模量影响较大.

3 结论

(1)在给定的竖向应力和剪切速率下，随着剪切位移由0mm增加到30mm，高聚物-土工布界面与高聚物-砂土界面均发生了剪切软化现象.

(2)竖向应力对高聚物-土工布界面的抗剪强度及剪切模量的影响显著.在剪切速率v=2mm/min下，随着竖向应力由50kPa增加到150kPa，高聚物-土工布界面的抗剪强度由15kPa增至46kPa；高聚物-土工布界面的抗剪强度与竖向应力之间表现出了良好的线性相关性；不同竖向应力p(50、100、150kPa)下的高聚物-土工布界面剪切模量差值较大，即竖向应力对高聚物-土工布界面的剪切模量影响较大.

(3)在竖向应力p=100kPa条件下，随着剪切速率由1mm/min增加至3mm/min，高聚物-砂土界面的抗剪强度仅发生小范围波动；高聚物-土工布界面的抗剪强度变化亦较小，其剪切模量均呈逐渐增大的趋势，但增加幅度不大，表明剪切速率对高聚物-砂土界面的抗剪强度影响不大，对高聚物-土工布界面的剪切强度和模量影响亦较小.