融化和冻结状态下土及混凝土/土界面剪切特性试验研究

2022-01-07黄旭斌周恒狄圣杰盛煜彭尔兴张玺彦曹伟

中南大学学报（自然科学版） 2021年11期

黄旭斌，周恒，狄圣杰，盛煜，彭尔兴，张玺彦,3，曹伟

(1. 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州，730000；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安，710065；3. 中国科学院大学，北京，100049)

随着人类对自然资源的不断探求，工程建设已延伸至自然条件较为恶劣的冻土区。在冻土区，上部土层周期性地经历着冻结融化过程，对埋置于土体内的桩基的热力学行为产生了较大影响。借助桩基与土体之间的冻结力，桩侧土体冻胀可引发作用于桩基侧面的冻拔力，进而引发桩基的冻拔破坏[1]。另外，在多年冻土区，延伸于多年冻土层中的桩体界面与多年冻土层界面之间形成的冻结强度是多年冻土区桩基承载性能的重要组成部分[2]。然而在桩基施工初期，混凝土的水化热会使桩侧土处于融化状态，随桩侧土回冻，桩−土界面将重新冻结，期间涉及温度场及水分场的变化，易造成桩基稳定性的变化[3−6]。因此，研究冻结和融化状态下土和桩−土界面的抗剪强度对冻土区桩基的冻拔稳定性及承载性能具有重要的实际意义。

直剪试验是确定土及结构/土界面力学特性和抗剪强度指标的一种简单、有效的方法[7−8]。人们针对冻土与结构界面的力学性能进行了大量研究，如UEDA等[9]研究了法向应力对冻土与结构接触面冻结强度的影响，结果表明冻结砂土和黏土与结构接触面的冻结强度均随法向应力增大而增大，且冻结砂土的增长速率更大。KO 等[10]研究了不同法向应力和温度下铝−土界面冻结强度，发现冻结强度随温度降低呈先迅速增大后逐渐减小的趋势。ZHAO 等[11−12]综合考虑了结构界面的粗糙度、荷载、负温及法向应力等因素，研究了各因素作用下人工冻结粉土−结构接触界面的剪切力学特性。吉延峻等[13]考虑了水灰比对界面粗糙度的影响，研究了现浇混凝土−冻土接触面的冻结强度，通过试验结果建议多年冻土区灌注桩采用水灰比为0.4～0.5的混凝土。

目前，系统考虑融化及冻结状态下土及混凝土/土界面的剪切力学性能的研究较少。另外，除了负温、法向应力、接触面粗糙度外，含水率同样是结构/土界面抗剪强度的重要影响因素之一。在现有的研究中，人们考虑了含水率对结构/土界面抗剪强度的影响，但多限于9.0%～22.5%的较低含水率[14−18]。然而，土体冻胀现象通常在较高的含水率条件下发生，且冻结过程中水分从未冻区迁移至冻结锋面，很有可能导致土体内部含水率达到或超过饱和，因此，针对冻拔作用有必要进行较高含水率条件的研究。

本文作者通过直剪试验，以土和混凝土/土界面为研究对象，对比分析这2种研究对象在融化及冻结状态下剪切力学特性的异同，然后以温度和含水率作为影响因素，研究混凝土/土界面在融化和冻结状态以及较高含水率(w=25%和w=35%)条件下的剪切力学性能。根据试验结果，分析上拔荷载作用下桩−土界面破坏机理，并探讨不同规范中切向冻胀力的取值问题。

1 试验方案及材料

1.1 试验方案

本试验在冻土工程国家重点实验室中开展，采用南京土壤仪器厂生产的ZJ 四联应变控制式直剪仪进行试验，试验示意图如图1所示，在试样顶部施加法向应力，在上、下盒对立面施加剪切应力。为了保证试验在指定的温度下进行，将直剪仪放入可控温的冷库中展开试验，控温范围为−40～20 ℃，精度为±0.5 ℃。试验采用快速剪切的方法，剪切速率为0.8 mm/min，最大剪切量为10 mm，以保证剪切面完全破坏。试验方案如表1所示，对比试验中土及混凝土/土界面所采用的法向应力、温度及含水率均相同，混凝土、土界面影响因素试验中，含水率w分别为25%和35%，温度及法向应力条件与对比试验的相同。

图1 试验仪器及材料Fig.1 Test apparatus and materials

表1 试验方案Table 1 Test program

1.2 试验材料

试验所用的土样取自黑龙江省黑河市中俄黑龙江—布拉戈维申斯克大桥附近。按照SL 237—1999“土工试验规程”[19]对土样基本物理性质进行试验，结果如表2所示。由表2可以看出：土样的塑性指数为12.3，根据文献[20]可知，土样类别为粉质黏土。土样颗粒曲线如图2 所示，从图2 可以看出：细颗粒质量分数(粒径为0.005～0.050 mm)约为32.1%，因此，土样为冻胀敏感性土[21]。土样的冻结温度随含水率的关系如图3所示，通过拟合计算可以得到试验中各含水率对应的冻结温度。混凝土试样各种材料水、水泥、砂子和碎石的质量比为0.4∶1.0∶1.5∶2.4，由于混凝土试样较小，因此，所采用的碎石均剔除粒径大于7 mm的石子。

图3 冻结温度随土样初始含水率的关系Fig.3 Relationship between freezing temperature and initial water content of soil sample

表2 试验土样基本物理性质Table 2 Basic physical properties of soil samples

图2 土样颗粒级配曲线Fig.2 Grading curve of test soil

1.3 试样制备

试样的制备包括土样的制备、混凝土试样制备、土样及混凝土/土试样制备3部分。

1.3.1 土样的制备

1)首先将风干后的土样碾碎后过孔径为2 mm筛，采用烘干法测定土样的初始含水率。2)按照扰动土的制备方法，添加定量的水将土样搅拌均匀以达到预定含水率。3)将拌和好的湿土放在密闭容器中静置24 h，以保证土样中的水分分布均匀。4)将湿土烘干后测其实际含水率作为试验含水率。

1.3.2 混凝土试样制备

1)将环刀内壁涂抹凡士林，并采用制作好的条状塑料纸(长×宽为200 mm×20 mm)覆盖在环刀内表面，以保证混凝土试样顺利取出。2)将拌和好的混凝土填入环刀内，充分振捣后将其表面抹平，最后将混凝土试样放置48 h后进行脱模。3)将制好的混凝土样品在水中静置28 d 养护。4)采用TCH100型角磨机，对混凝土试样表面进行打磨处理，以保证各混凝土试样表面的粗糙度一致。

1.3.3 土样及混凝土/土试样制备

1)采用高为40 mm，直径为61.8 mm的环刀为样品仓，将混凝土试样放入样品仓。2)以土的天然干密度为控制因素，称取一定质量的粉质黏土试样放入样品仓中，用标准压样机将土及混凝土/土样品的高度压制为40 mm。3)将带有样品仓的土样及混凝土/土试样用塑料薄膜包裹后置于−26 ℃环境下快速冻结12 h。4)将冻结后的土样及混凝土/土样品采用油压千斤顶顶出，用塑料薄膜包裹后放置在恒温箱中按照指定的温度(−1，−3 和−5 ℃)恒温12 h。

试样冷却、恒温及试验过程中均采用GM1312接触式测温仪对混凝土/土界面温度测量，结果表明，冷却、恒温过程中，界面处的温度分别在6 h及4 h后可以稳定至指定温度，在试验过程中，界面的温度基本未出现波动。

2 试验结果及分析

2.1 土及混凝土/土界面试验结果对比分析

土及混凝土/土界面的抗剪强度为土及混凝土/土界面发生破坏时的峰值剪切应力，当无明显峰值剪切应力时，可取剪切位移为4 mm时对应的剪切应力作为土的抗剪强度[19]，当界面的剪切应力曲线为应变软化时，残余抗剪强度取峰值剪切应力后稳定的剪切应力。对比试验在含水率w=15%条件下进行，图4 所示为融化状态下(5 ℃)粉质黏土及混凝土/粉质黏土的试验结果。由图4可以看出：除在法向应力100 kPa下土及混凝土/土界面剪切应力曲线为弱应变软化型外，在其他法向应力下剪切应力曲线均为应变硬化型，无明显峰值剪切应力。在融化状态下，各法向应力对应的土的抗剪强度均比混凝土/土界面的抗剪强度大，这与NEDA等[22]所得的5 ℃条件下黏土及黏土/混凝土界面抗剪强度结果相似。

图4 5 ℃条件下土及混凝土/土界面试验结果Fig.4 Experimental results on soil and concrete/soil interface at 5 ℃

图5所示为冻结状态下(−1 ℃)粉质黏土及混凝土/粉质黏土试验结果，其中图5(b)所示为各法向应力对应的峰值剪切应力和残余剪切应力。由图5可知：在−1 ℃时，土及混凝土/土剪切应力曲线均为应变软化型，有明显的峰值剪切应力和残余剪切应力。在−1 ℃时，土及混凝土/土界面的抗剪强度均比5 ℃时的抗剪强度大。另外，在−1 ℃时，土的抗剪强度和残余抗剪强度均分别比混凝土/土界面的抗剪强度和残余抗剪强度大，且随法向应力增大，土及混凝土/土界面的抗剪强度和残余抗剪强度的值逐渐接近，法向应力的作用减弱。

图5 −1 ℃条件下土及混凝土/土界面试验结果Fig.5 Experimental results on soil and concrete/soil interface at −1 ℃

图6所示为冻结状态下(−3 ℃)粉质黏土及混凝土/粉质黏土试验结果。由图6 可知：当法向应力为100 kPa时，土及混凝土/土界面的剪切应力在达到峰值后迅速减小，界面发生脆性破坏，剪切应力曲线呈峰后应变软化型。在其他法向应力条件下，土及混凝土/土界面的剪切应力曲线均为应变软化型。土及混凝土/土界面的抗剪强度和残余抗剪强度随法向应力的变化趋势与−1 ℃条件下的变化趋势相似。

图6 −3 ℃条件下土及混凝土/土界面试验结果Fig.6 Experimental results on soil and concrete/soil interface at −3 ℃

图7所示为冻结状态下(−5 ℃)粉质黏土及混凝土/粉质黏土试验结果。从图7 可以看出：当法向应力为100 kPa 和200 kPa 时，土会发生明显的脆性破坏，而混凝土/土界面仅在法向应力为100 kPa时发生脆性破坏。混凝土/土界面抗剪强度和残余抗剪强度随法向应力变化的趋势和−1 ℃与−3 ℃时的变化趋势相似，但随法向应力增大，土的抗剪强度和残余抗剪强度有接近的趋势，但法向应力的影响依然较大。

图7 −5 ℃条件下土及混凝土/土界面试验结果Fig.7 Experimental results on soil and concrete/soil interface at −5 ℃

2.2 土及混凝土/土界面抗剪强度指标对比分析

假定在冻结温度时土中水处于临界未冻结状态，此时土及混凝土/土界面仍为融化状态，其界面抗剪强度指标和融土的一致。由图4～7的抗剪强度包络线可以看出：抗剪强度随法向应力的变化呈线性变化，可通过Mohr-Coulomb 准则拟合得到土及混凝土/土界面的抗剪强度指标(黏聚力和内摩擦角)。

图8所示为黏聚力和内摩擦角随温度的变化情况。由图8可以看出：各温度条件下土的黏聚力均比混凝土/土界面的黏聚力大。在−1 ℃时，土及混凝土/土界面的黏聚力均比融化状态下的大，且土的黏聚力增大幅度更大，主要是由于−1 ℃时土中部分水已冻结，在冰的胶结作用下土颗粒间的摩擦力比土颗粒与混凝土界面的摩擦力大。随温度继续降低，土体的黏聚力与混凝土/土界面的黏聚力的变化规律相似，均近似呈线性增大趋势，其原因为土及混凝土/土界面含冰量随温度降低而增大，进而导致黏聚力增大。土与混凝土/土界面的残余黏聚力随温度的变化较小。

图8 抗剪强度指标随温度的变化Fig.8 Variations of shear strength parameter with temperature

内摩擦角反映了土颗粒表面或混凝土/土界面的摩擦力以及土颗粒间或土颗粒与混凝土表面的咬合力。在冻结状态下，土的内摩擦角随温度降低而增大，混凝土/土界面的内摩擦角随温度降低呈先增大后稳定减小的规律。在界面发生破坏后，土及混凝土/土界面的残余内摩擦角均比内摩擦角大，且土的残余内摩擦角比混凝土/土界面的残余内摩擦角大。另外，土的残余内摩擦角随温度的变化较小，但混凝土/土界面的残余内摩擦角变化规律与内摩擦角的变化规律一致。

2.3 温度及含水率影响下混凝土/土界面试验结果分析

温度及含水率的变化不仅会影响土体的物理力学性质，还会影响其与混凝土界面的物理力学性质。图9 所示为融化状态下(5 ℃，w=25%和35%)混凝土/土界面的试验结果。由图9可以看出：当w=25%时，界面剪切应力曲线均呈应变硬化型，而当w=35%，法向应力为100 kPa 和300 kPa 时，剪切应力曲线呈应变软化型，主要是由于当含水率为35%时，土体呈软塑状，因此，在剪切力作用下应力曲线为应变软化型。当w=35%，法向应力为100 kPa时，混凝土/土界面的抗剪强度比法向应力为100 kPa的抗剪强度大，但在其他法向应力条件下，w=25%时的抗剪强度均比w=35%时的结果大，说明随含水率增大，界面在剪切力作用下的软化性能增强。

图9 5 ℃条件下土及混凝土/土界面试验结果(w=25%和35%)Fig.9 Experimental results on concrete/soil interface at 5 ℃(with w of 25%and 35%)

图10 所示为冻结状态下(−1 ℃，w为25%和35%)混凝土/土界面试验结果。由图10 可以看出：当w=35%时，在各法向应力条件下，界面的破坏形式均为脆性破坏，而当w=25%时，除法向应力为400 kPa时界面的破坏形式为塑性破坏，其他法向应力下界面均为明显的脆性破坏。当w=35%时混凝土/土界面的抗剪强度均比w=25%时的结果大，和融化状态下的结果相反。另外，当w分别为25%和35%时，混凝土/土界面的残余抗剪强度包络线基本重合，说明含水率对其残余抗剪强度的影响较小。

图11 所示为冻结状态下(−3 ℃，w为25%和35%)混凝土/土界面试验结果。从图11 可以看出：在所有法向应力条件下，w=25%和35%时的混凝土/土界面均发生过剪现象，这和董盛时等[23]所得试验结果相似。其中w=25%时混凝土/土界面发生破坏时剪切应力曲线有所恢复，当法向应力为300 kPa和400 kPa时剪切应力曲线出现二次应变软化现象。当w=35%时，混凝土/土界面发生破坏后剪切应力在规定的最大剪切量下不再恢复，未测得残余剪切应力。当w=35%时，各法向应力对应的抗剪强度均比w=25%时的结果大，与图10(b)中的结果相似。

图10 −1 ℃条件下混凝土/土界面试验结果(w=25%和35%)Fig.10 Experimental results on concrete/soil interface at −1 ℃(with w of 25%and 35%)

图11 −3 ℃条件下混凝土/土界面试验结果(w=25%和35%)Fig.11 Experimental results on concrete/soil interface at −3 ℃(with w of 25%and 35%)

图12 所示为冻结状态下(−5 ℃，w为25%和35%)混凝土/土界面试验结果。由图12 可以看出：当含水率w=25%和35%时，界面均发生明显的脆性破坏，当w=25%时界面发生破坏后强度有所恢复，但在w=35%的情况下强度没有恢复，与−3 ℃时剪切应力曲线发展规律相似。w=35%时的抗剪强度比w=25%时的抗剪强度大，与−1 ℃及−3 ℃时的规律相似。

图12 −5 ℃条件下混凝土/土界面试验结果(w=25%和35%)Fig.12 Experimental results on concrete/soil interface at −5 ℃(with w of 25%and 35%)

2.4 温度及含水率影响下混凝土/土界面抗剪强度指标分析

为了表述不同温度及含水率对混凝土/土界面抗剪强度指标的影响，将含水率w=15%时混凝土/土界面的结果引入以下的分析中。图13 所示为混凝土/土界面抗剪强度指标随温度的变化。由图13可知：从融化状态到冻结状态，3种含水率下混凝土/土界面黏聚力均有不同程度的增大。在冻结状态下，混凝土/土界面黏聚力随温度降低近似呈线性增大，温度每降低1 ℃，黏聚力增大33.26～129.28 kPa(含水率从15%增至35%)。残余黏聚力随温度降低变化幅度减小，基本保持在0 kPa 左右。从融化状态(5 ℃)到冻结状态(−1 ℃)，在3 种含水率下，混凝土/土界面内摩擦角均增大。在冻结状态下，不同含水率条件下混凝土/土界面的内摩擦角规律整体上呈先增大后稳定的趋势。残余内摩擦角随温度变化的规律和内摩擦角的规律基本一致。

图13 混凝土/土界面抗剪强度指标随温度的变化Fig.13 Variations of shear strength parameters of concrete/soil interface with temperature

图14 所示为混凝土/土界面抗剪强度指标随含水率的变化。由图14可以看出：在5 ℃和−1 ℃时，混凝土/土界面黏聚力随含水率增大而增大的幅度较小，主要是由于5 ℃时界面处于融化状态，而在−1 ℃时，界面处自由水不能完全冻结成冰，仍存在较多的自由水。在−3 ℃和−5 ℃时，由于越来越多的自由水变成冰，混凝土/土界面的黏聚力随含水率的增大呈线性增大趋势，含水率每增加1%，黏聚力增大7.61～25.90 kPa(温度从−1 ℃降至−5 ℃)。在融化状态下，混凝土/土界面的内摩擦角随含水率增大而减小。在冻结状态下，混凝土/土界面的内摩擦角随含水率增大而增大，但增大的幅度随含水率增大而变缓。

图14 混凝土/土界面抗剪强度指标随含水率的变化Fig.14 Variations of shear strength parameters of concrete/soil interface with water content

3 讨论

在非冻土地区，桩在受到上拔荷载的作用时，桩土相对位移时常会造成桩侧一定范围内的土弱化而发生剪切破坏[24]。而在冻土区桩基工程中，桩不仅会受到切向冻胀力的作用，还可能受到其他荷载的作用，例如输电塔基受到风荷载等施加在桩上的上拔力。在上拔荷载的影响下，桩土相对位移是否会造成桩侧冻土的破坏，现有的文献还未准确提及。本文通过试验发现，相同条件下冻土的抗剪强度较混凝土−冻土界面的抗剪强度约高100 kPa(图5(b)～(7))，土颗粒间的冰胶结嵌套作用明显比土颗粒和混凝土界面的作用强。因此，在上拔荷载作用下，桩−土界面冰胶结作用首先发生破坏，而冻土层的整体性不会发生破坏。当桩−土界面发生完全破坏时，上拔力主要由界面的残余抗剪强度提供。

切向冻胀力的取值问题各国规范不同。美国的规范认为切向冻胀力是和桩−冻土长期的冻结强度有关，俄罗斯的规范中将切向冻胀力视为冻土沿桩侧滑动所产生的摩擦力[25]，中国的规范以土体的平均冻胀率作为切向冻胀力的标准取值。然而，冻结强度仅为切向冻胀力产生的原因之一，弱冻胀或不冻胀土体在冻结时仍可能产生较大的冻结强度，但未必会产生切向冻胀力，因此，美国规范中的方法势必会造成切向冻胀力预测值过大。图15所示为不同含水率及温度条件下混凝土/土界面残余抗剪强度对比。由图15 可以看出：从本文的试验中，滑动摩擦应力相当于混凝土/土因产生的残余抗剪强度，从数值上看，残余抗剪强度范围为50～400 kPa，和KIM 等[26]总结的切向冻胀应力取值以及吴亚平等[27]计算得到的切向冻胀应力相差较小。考虑法向应力作用时含水率为w=15%时的残余抗剪强度基本都比w=25%的残余抗剪强度大。但含水率w=15%时的切向冻胀应力明显比w=25%时的切向冻胀应力小，因此，俄罗斯规范中的方法在确定切向冻胀力时，还应考虑桩−土界面的含水率的因素。中国的规范中以平均冻胀率预测切向冻胀力的方法并未考虑温度和含水率的影响，本文采用的土体为冻胀敏感性土，结果显示，在不同含水率及不同温度条件下，所得抗剪强度差距较大，因此，仅将土体的平均冻胀率作为参考可能不能准确估计切向冻胀力。