正融土-混凝土接触面力学性质分析

潘一鸣，王伯昕.，张中琼，王清

（1.吉林大学 建设工程学院，吉林 长春 130021；2.冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

我国青藏高原和东北地区季节性冻土分布广泛，随着“一带一路”建设实施，在上述季冻区兴建了大量的基础设施，同时也出现了很多工程问题，这与季节性冻土冻融循环导致的与混凝土构筑物基础形成接触面的力学性质变化相关。目前对于构筑物-冻土接触面力学性质的研究多集中在冻土-混凝土界面方面，国内外对冻土与混凝土等构筑物界面冻结强度研究已取得较多成果。LIU J K等［1］、LU P［2］研制了一款新型冻土直剪仪进行动剪切强度试验，并揭示了影响淤泥质冻黏土与混凝土接触面动剪切强度的主要因素；K.W.Biggar等［3］、R.R.Shakir等［4］对冻盐渍土与灌注桩的冻结强度进行试验研究，表明界面冻结强度受冰、土、水等因素综合作用影响；孙厚超等［5］对影响冻土与构筑物界面的因素进行了试验探究，并把界面层变形分为剪切变形和滑移变形；吕鹏等［6］研究不同因素对粗颗粒土-混凝土接触面抗剪强度影响，并提出了经验公式；温智等［7］通过控制含水率和温度变化，探究了两个因素对冻结强度和冻结强度恢复的影响；赵联桢等［8-9］研制了一套多功能冻土-结构接触面循环直剪系统，并进行了一系列试验，此装置为接触面力学行为研究提供了思路；吉延峻等［10］进行了现浇混凝土-冻土直剪试验，并对冻土区现浇混凝土的最佳水灰比进行了探究；LEE J等［11］在低温环境箱中进行了直剪试验，以研究界面冻结强度；C.H.Choi等［12］用直剪仪进行了不同温度下冻结砂土与铝板接触面直剪试验，并对冻结强度进行预测。以上大多试验都是基于冻土。王博等［13］进行了高压正融土与结构接触面剪切力学特性试验研究，发现冻土解冻程度不同，剪应力-位移曲线呈现不同的特性。上述研究从某个角度对冻土与结构接触面冻结强度开展了试验，对于融化过程中冻土-混凝土界面的力学性质研究仍然较少。

我们跑进厨屋，见水缸里倒插着两只小脚，僵直地指向低矮的黑暗的天空！大梁哎呀大叫一声，冲了过去。我也跟着跑上前，见她奶奶半个身子都栽进缸里，水漫得满地都是。大梁把油灯放到灶台上，伸手去水缸里捞人。缸里的水猛地涨出来，响亮地砸在地上，流水不停漫过我的脚背。

由图16可以获得faFM和waFM欧式空间点的坐标变换，faFM在Lv、Q方向的变动范围分别为-0.08 mm～0.08 mm和-0.1 mm～0.1 mm，waFM在Lv、Q方向的变动范围都为-0.2 mm～0.2 mm。

冻土-混凝土接触面的力学性质研究主要通过固定破坏面的剪切试验完成。目前国内外试验方法主要分为3种，直剪、单剪和环剪试验，这3种试验方法各有优劣，其中直剪仪构造简单、操作方便。本文采用直剪仪对正融土-混凝土接触面的力学性质进行试验研究。

1 试验准备

1.1 试验仪器

采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制直剪仪测定正融土-混凝土接触面的抗剪强度。在4种法向压力下对试验样品进行剪切，求得破坏时的剪切应力，确定冻结强度，利用库伦定律求得接触面的摩擦力和内摩擦角。图1为试样受力示意图。图2为试验所选取的混凝土面示意图。

图1 试样受力示意图Fig.1 Forces schematic of specimen

图2 混凝土面示意图Fig.2 Schematic of concrete interface

1.2 试验方法

选用长春地区典型浅层粉质黏土，基本物理参数见表1。首先制作直径61.8 mm，高1 cm的混凝土圆盘，混凝土配合比见表2。按预先设定的含水率配置粉质黏土，取标准环刀，为取样方便，在环刀内边缘涂一层凡士林，然后将混凝土圆盘置入环刀中，上层填入一定质量的土样，干密度1.57 g/cm3，压实，将压实的环刀样置入固结仪中固结5 h，固结仪采用保鲜膜包裹，底部保水处理。固结完成后，取出环刀样，用保鲜膜整体包裹后，置入-20℃的冰柜中冰冻4 h，待样品冻结完成后，从冰柜中取出，迅速用透水石挤出试件，测量温度，待温度计示数稳定，此过程约1 min，之后进行排水快剪试验，试验过程中对试件进行红外加热，以保证正融土逐渐融化，整个剪切过程持续7′30″，取出样品后，对剪切后的接触面土壤进行温度测量，此过程约1 min。法向应力分别设为100，200，300，400 kPa，土样实配含水率为9.9%，21.8%，33.0%，剪切速率0.8 mm/min。试验温度和试验后的含水率见表3，试验前后接触面土样的温度变化如表4所示。

表1 土壤物理参数Tab.1 Physical properties of soil

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportions of concrete kg/m3

表3 试验温度和试验后土壤含水率Tab.3 Test temperatures and soil moisture contents after test

表4 正融土温度变化情况Tab.4 Variation of thawing soil temperatures

2 试验结果与分析

2.1 正融土-混凝土接触面剪应力-位移曲线特征

幼果被害后，多在萼洼产生白色粉斑，病部变硬。病果生长缓慢，较正常果实小。果实长大后白粉脱落，形成网状锈斑，后期变硬的组织龟裂，形成裂口或裂纹。

The overall and disease specific survival rates were measured as long-term outcomes.

图3 w=21.8%时接触面剪应力-位移曲线Fig.3 Shear stress-displacement curves with w as 21.8%

图4 第I阶段试件物理状态Fig.4 Physical state of the specimen in stage I

病患任意血糖指标高于11.1 mmol/L，证明病患患糖尿病症。对观察组和对照组的TC，2 hPBG，TG和葡萄糖耐量等指标进行对比分析。对两组检查结果的有效率进行判定（检测结果与临床诊断结果相同，判定为有效，反之则无效）。

在100 kPa法向应力作用下，不同含水率的混凝土-正融土接触面的剪应力-位移特征不一致，如图8所示。w=9.9%时冻土-混凝土剪应力-位移曲线呈一直上升趋势，这主要是由于土中颗粒比表面积大，水分以吸湿水形式存在，自由水较少。低温条件下，水分主要是以未冻水存在，界面间不能形成冰胶结力。低含水率条件下界面冻结强度主要由摩擦力和土颗粒-混凝土黏聚力提供，故接触面的剪应力-位移曲线呈塑性破坏型，没有明显峰值。试验结果表明，冻结情况下土壤初始含水率对剪应力-位移曲线影响显著。

图5 第Ⅲ阶段试件物理状态Fig.5 Physical state of the specimen in stageⅢ

第Ⅳ阶段为剪应力显著上升阶段，室温状态下，正融土在融沉和法向压力作用下开始失水，剪切应力随着剪切位移增大逐渐变大。且融化和失水同时进行，在第Ⅳ阶段土壤失水［14］，密度变大导致摩擦系数变大是造成剪切应力上升的主要原因，且试验中也观测到接触面附近土壤融化较快，如图6所示。由表3可知，法向压力越大，土壤散失的水分就越多，对应图3表现为高法向应力下剪切应力上升较快，且观察到接触面土壤易融化失水。经测量可知，整个过程中土壤温度经历了从负到正的变化过程。

图6 第Ⅳ阶段试件物理状态Fig.6 Physical state of the specimen in stageⅣ

w=33%时，混凝土-正融土接触面的剪切情况反映出曲线第Ⅱ阶段也存在明显的软化阶段，如图7所示，峰值数值比含水率21.8%的低，其他段变化规律和含水率33%曲线段的变化规律基本一样。试验结果表明，两种含水率的剪应力-位移关系曲线上升阶段存在明显区别，由于含水率高的土样融化速率快，温度上升快，因此峰值强度低，且没有出现剪应力急速下降的应变软化阶段。

随后弹性变形接近极限时，接触面开始破坏，进入第Ⅱ阶段，由于冰胶结力迅速减小，界面之间的黏结力迅速下降，表现为后峰值强度应变软化行为，此阶段持续1′～1′15″，对应的剪切位移为0.8～1 mm。第Ⅱ阶段下降速率大于第I阶段的上升速率，随后进入第Ⅲ阶段。

图7 w=33%时接触面剪应力-位移曲线Fig.7 Shear stress-displacement curves with w as 33%

第III阶段为30～45 s的平稳阶段，其剪切位移为0.4～0.6 mm，平稳阶段的剪切应力随着法向应力增大10～30 kPa，如图5所示。分析认为冻土融化过程中，剪切应力主要克服混凝土与土壤接触界面的摩擦力，融化过程的水分散失和融沉还未引起土壤干密度太大变化，界面间剪切力主要以正融土-混凝土摩擦为主，剪应力比较稳定。

图8 100 kPa应力下不同含水率时剪应力-位移曲线Fig.8 Shear stress-displacement curves of different moisture contents under 100 kPa stress

2.2 冻结情况对混凝土-正融土接触面剪应力-位移曲线特征的影响

对比w=21.8%时正融土的剪切和混凝土-正融土接触面剪切曲线（图11）可知，土样的剪切应力随法向压力增加而增加，且正融土抗剪强度比界面间抗剪强度大。这一现象与界面间冰胶结力形成机理有关。界面间冻结强度主要由摩擦力和土颗粒-混凝土胶结力提供，咬合力较弱。正融土剪切除了克服黏聚力外，还要克服冰的强度、土颗粒骨架的强度［16］。土壤内部的冰结晶体会加固土骨架，导致比界面间剪切强度大。由图11可知，当不固定剪切破坏面时，破坏面会出现在正融土-混凝土界面间。随着土壤融化和压力作用，冰晶加固的土骨架破坏，剪切应力峰值过后剪切强度会慢慢变小，但始终大于界面间剪切力，且正融土-混凝土界面剪切破坏应力会先达到峰值，表明界面间塑性程度较低。

图9 常温下w=21.8%时剪应力-位移曲线Fig.9 Shear stress-displacement curves at room temperature with w as 21.8%

正融土-混凝土接触面的抗剪强度变化过程如图13～14所示，w=21.8%时，试件在剪切发生的初始阶段，冰胶结力比较大，表现为特征点A的抗剪强度曲线在最上方。对于w=33%的土样，第Ⅲ段的抗剪强度大于第Ⅲ阶段，一方面是由于33%高含水率土壤导热系数大［17］，融化更快，胶结强度低。另一方面是由于在第Ⅳ阶段，随着温度上升，融化失水进行，土壤失水较多，已融化的水分挤出土壤，导致土体干密度变大。所以第Ⅳ段剪应力的上升相对较多。第Ⅲ段是一个相对稳定阶段，在土壤融化、法向应力作用下，第Ⅰ、Ⅱ段残余的胶结强度大部分已经消失，第Ⅳ阶段尚未到来，所以内摩擦角和黏聚力相对其他阶段较小。

图10 冻结和常温条件下w=21.8%时剪应力-位移曲线Fig.10 Shear stress-displacement curves under freezing and room temperature conditions with w as 21.8%

2.3 正融土和混凝土-正融土接触面剪切过程分析

常温w=21.8%时常温土-混凝土接触面在不同法向压力作用下的接触面剪切力-位移曲线为双曲线型（图9）。剪切至最大位移也未出现明显的应变软化现象，曲线最后趋于水平。结果表明，在一定含水率条件下，法向压力越大，接触面初始剪切模量越高，剪应力峰值和剪切破坏位移越大，剪应力强度达到峰值后趋于稳定，随着剪切位移持续增加，接触面的剪应力-位移性状呈塑性破坏型，其应力-位移关系曲线为弱软化型和屈服型，无明显峰值。分析认为，在剪应力上升段，剪应力主要由粉质黏土与混凝土间的黏聚力和摩擦力提供，随着剪切位移增加，达到平稳阶段。在残余摩擦段，剪应力主要由粉质黏土颗粒与混凝土面滑动摩擦组成，同时由于粉质黏土颗粒的逐渐定向排列，剪应力在一定程度上有保持稳定的趋势［15］。

图11 w=21.8%时正融土剪切和混凝土-正融土剪切曲线Fig.11 Shear curves of thawing soil and concrete-thawing soil with w as 21.8%

2.4 各阶段正融土-混凝土接触面剪切强度特征

将正融土-混凝土界面间抗剪强度定义为各阶段的峰值强度。由于第三阶段为平稳阶段，本文取各阶段特征点A，B，C进行分析，具体位置如图12所示。

图3为含水率为21.8%时的接触面剪应力-位移曲线，明显呈现4个阶段，即Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。由图3可知，法向压力为300，400 kPa的剪切初始阶段，剪应力随剪切位移的增加迅速增长，曲线斜率较大，接近直线，可认为这一阶段近似为线弹性变形，原因为冰胶结力的作用［6］。法向应力为100，200 kPa时，曲线增长变慢，表现为弱软化特征。剪切位移为1.5 mm内可达到最大剪应力，随着法向压力增大，到达最大剪应力对应的剪切位移也随之变大。在剪切初始的1″30″～1″45″为第I阶段，其对应的剪切位移长度为1.5 mm。试验结果表明，第I阶段正融土-混凝土接触面为脆性破坏，存在明显峰值，冰胶结力破坏后降幅达30%以上。可认为剪应力的迅速降低和冰胶结有关，由表4也可知，剪切开始阶段，土壤接触面温度为负值，界面间存在脆性破坏。第I阶段试件物理状态如图4所示。

图12 特征点位置示意图Fig.12 Location schematic of feature points

图14 w=33.0%时抗剪强度拟合曲线Fig.14 Fitting curves of shear strength with w as 33.0%

冻结和常温条件下w=21.8%时，混凝土-正融土接触面剪应力-位移曲线如图10所示，试验初始阶段，一定法向压力作用下，冻结情况下的剪切强度先达到峰值，这主要是由于残余冰胶结力的作用，且冻结情况下第一个峰值点高于相同位置常温情况下的值。随着剪切进行，常温土剪切强度越来越大，最终高于冻结情况曲线。分析认为，正融土在压融和外界温度作用下土壤融化迅速，原有的土骨架结构被破坏，同时正融土较常温土保水性较好，因此剪切后期正融土剪切应力小于常温土的。与常温土剪切情况对比，正融土接触面剪应力达到峰值所需的位移更小，接触面呈脆性破坏特征。

图13 w=21.8%时抗剪强度拟合曲线Fig.13 Fitting curves of shear strength with w as 21.8%

正融土与混凝土接触面的抗剪强度也称为接触面的冻结强度。冻结强度由土中已冻结纯冰和混凝土接触面的冻结力以及土颗粒、未冻结水与混凝土表面的黏聚力和摩擦力共同组成，在整个剪切过程中，这三种力共同作用，各个阶段的占有比例不同。

3 结 论

（1）正融土-混凝土界面剪切试验中，接触面峰值和残余剪切强度均随法向应力的增加而增大。剪应力-位移曲线随着土壤融化的进程表现为4个不同的阶段，且剪切面附近土壤易融化。

（2）试验曲线的特性会随着冻结情况、土壤初始含水率、法向压力的不同表现出不同的特点。常温土-混凝土的剪切曲线呈弹塑性变形，没有明显峰值；较高含水率的正融土-混凝土接触面的剪切过程呈脆性破坏型，存在明显峰值，破坏后应力降幅达30%以上。

（3）在法向压力作用下，正融土-混凝土界面间剪切应力始终远小于正融土剪切破坏应力，且正融土-混凝土界面剪切破坏应力会先达到峰值。

如若要回答“谁持彩练当空舞？”这个问题，这就涉及作者想要表达什么的问题了。这句破空而来的“天问”极具政治色彩。综观毛泽东诗词，写“天”的诗句很多，如“欲与天公试比高”“天翻地覆慨而慷”“敢教日月换新天”等等。仔细品读，可知“天”这一意象在毛泽东诗词中一直染着浓郁的政治色彩。而从《菩萨蛮·大柏地》这首词作所描写的壮丽景象和作者奔放的情感来看，确是饱含着“舍我其谁”的自信和豪迈。然而，毛泽东更有常人难以企及的一面，仅以常情推论，只能浮于表面。事实上，词的下阕对“谁持彩练当空舞”这一问题已作出了更深一层的回答。

（4）在正融土-混凝土剪切过程中，第Ⅲ阶段的黏聚力和内摩擦角相比其他阶段小，表现为特征点B曲线在最下方。