非饱和砂土−混凝土界面剪切强度试验研究

2022-03-30杨明辉王文筱邓波

铁道科学与工程学报 2022年2期

杨明辉，王文筱，邓波

(1. 湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082；2. 南华大学土木工程学院，湖南衡阳 421001)

土−结构相互作用分析是岩土工程领域的热点问题之一。在外荷载作用下，土与结构变形情况差异极大，故明确土−结构界面的受力特性和变形机理，并对其强度进行合理的估算至关重要。国内外学者对这一问题展开了多角度的分析。CLOUGH等[1]通过直剪试验研究了土与混凝土接触面的力学特性，并提出了剪应力与相对错动位移关系的双曲线模型；ALYOUNIS 等[2]在饱和砂土−钢界面单剪试验基础上，基于DSC 提出了可描述饱和界面在动态加载条件下行为的新本构模型；FENG 等[3]采用80 t 三维多功能土-结构接触面试验装置(3DMAS)进行三维直剪试验，研究了砂-钢接触面的三维单调和循环特性；WANG 等[4]利用改装的直剪仪，研究了砂性土的粒度分布对土-结构界面剪切行为的影响；LI 等[5]研究了在不同正应力下，温度对红黏土与结构界面剪切应力-应变特性和抗剪强度参数的影响。殷宗泽等[6]通过在直剪仪中加入微型潜望镜装置，观测并分析了土与混凝土界面的剪切及变形特性；杨鑫等[7]采用大型直剪仪研究了土与再生混凝土界面的剪切变形特性及破坏模式；ZHANG 等[8]通过黏土−混凝土界面直剪试验，研究了表面粗糙度对界面强度参数的影响。上述研究大都针对不同土性、材料界面或试验方法进行界面强度试验，而对于同时考虑非饱和土基质吸力及混凝土界面粗糙度对界面剪切强度和剪胀性状的影响则研究甚少。鉴于此，本文拟基于室内非饱和砂土−混凝土界面共32 组大剪试验，深入探讨基质吸力和界面粗糙度对界面剪切位移及剪切强度的影响规律，并由此提出考虑基质吸力和界面剪胀角影响的非饱和土的界面抗剪强度公式，以供工程设计取值参考。

1 非饱和土-结构物界面剪切试验

1.1 砂土基本物理特性

试验中所用的砂土级配曲线和基本物理参数分别见图1和表1。

图1 颗粒级配曲线Fig.1 Grain size distribution curves

表1 砂土基本物理参数Table 1 Basic physical properties of sand

1.2 砂土SWCC曲线测定

本试验装置采用美国GCTS公司生产的压力板仪。试样按照最优含水量w=8%，干密度ρd=1.579 g/cm3(取中密砂土相对密度Dr=0.65)进行制备，经抽气、饱和后进行脱湿试验。

在本研究中，使用Fredlund-Xing(FX)模型[9]拟合SWCC 曲线数据。该模型基于土体孔径分布函数，可用于较大范围(0～106kPa)的基质吸力量测，具体函数表达式如下：

式中：a，m，n为拟合参数；(ua−uw)为基质吸力；(ua−uw)r为残余基质吸力；θ为体积含水量；θs为饱和体积含水量。

FX 模型拟合参数见表2 所示，SWCC 的预测曲线与试验数据的关系见图2所示。以下文剪切试验前土样的初始质量含水量(3%，5%，8%)为基本计算依据，结合FX 模型反算出土样的基质吸力，该方法已经被许多学者证明其可靠性[10]。由此可知，3%，5%和8%的土样含水量对应基质吸力分别为46.24，13.31 和6.72 kPa，而显然，饱和土样对应基质吸力为0 kPa。

表2 砂土SWCC拟合参数(FX模型)Table 2 Sand SWCC fitting parameters(FX model)

图2 土−水特征曲线Fig.2 Soil-water characteristic curve

1.3 混凝土试件制作及界面粗糙度定义

试验试件采用C30强度的混凝土制作，试件外尺寸为300 mm×300 mm×55 mm。混凝土基准配合比为：水泥:砂:石子:水=1.00:1.44:2.74:0.46。参考文献[11]中的方法，经搅拌、浇筑、振捣、界面设置、养护28 d，得到表面具有规则凹槽的混凝土试块，如图3所示。

图3 试验用混凝土试块及尺寸Fig.3 Test concrete blocks and their dimensions

本文根据灌砂法定义了表面粗糙度，即采用平均灌砂深度对结构表面粗糙度R进行定量评价：

式中：V0为分布在粗糙表面上的标准砂体积，试验中粗糙表面为土−结构实际接触面；A0为测量表面为理想平滑面时的面积。本文分别采用了2种混凝土界面，即粗糙界面和光滑界面，其表面粗糙度R分别约为2.62和0，界面尺寸如图3所示。

1.4 非饱和土−混凝土大型直剪试验

本次直剪试验装置采用美国Geotest 公司摩擦－剪切仪(型号：S2450)，该装置组成如图4所示。其剪切盒呈方形，尺寸为长300 mm×宽300 mm，在转角位置处做了倒圆角处理，以减少尖角引起的应力集中。

图4 Geotest摩擦-剪切仪Fig.4 Geotest friction-Shear instrument

试验过程中控制干密度ρd=1.579 g/cm3，对土−土、土−光滑、土−粗糙3 种界面开展了在4 个不同法向应力(50，100，150和200 kPa)作用下的4种不同含水率(3%，5%，8%及饱和状态)的大剪试验。

试验采用应变控制法，设定剪切应变率为0.8 mm/min，当剪切位移至20 mm时停止试验。对于在剪切盒中饱和的土样，设定剪切应变率为0.1 mm/min，目的是确保土样在剪切过程中处于完全排水的状态。

2 试验结果分析

2.1 净法向应力对界面抗剪强度的影响

由于在剪切过程土样始终处于边界不封闭状态，因此孔隙气压为0(即ua=0)。此时，净法向应力(σn−ua)与法向应力σn相等，因此在后续分析中可采用净法向应力代替直剪试验中施加的总法向应力。

如图5～6 所示，在相同基质吸力情况下，界面剪切强度随净法向应力的增大而增大。而净法向应力越大，峰值强度对应的剪切位移也越大，该现象与大多数土的剪切特性一致。此外，界面剪切强度在剪切前期增长更为迅速，而随着剪切位移的增大，界面剪切强度逐渐稳定并在小范围内增大或减小。在较低法向应力(如50 kPa)下，剪应力-剪切位移曲线表现出轻微的应变软化行为；在较高法向应力(如150 kPa 和200 kPa)下表现出应变硬化特性。

图5 不同净正应力的剪应力−剪切位移曲线(土−光滑界面)Fig.5 Shear stress-shear displacement curves of different net normal stresses(Soil-Smooth interface)

图6 不同净正应力的剪应力-剪切位移曲线(土-粗糙界面)Fig.6 Shear stress-shear displacement curves of different net normal stresses(Soil-Rough interface)

2.2 基质吸力对界面抗剪强度的影响

采用与图5～6 中相同的试验数据，在图7～8中绘制剪应力-剪切位移曲线，以研究基质吸力对同一土样不同界面行为的影响。

图7 不同基质吸力的剪应力-剪切位移曲线(土-光滑界面)Fig.7 Shear stress-shear displacement curves of suction of different substrates(Soil-Smooth interface)

图8 不同基质吸力的剪应力-剪切位移曲线(土-粗糙界面)Fig.8 Shear stress-shear displacement curves of different matric suction forces(Soil-Rough interface)

由图可知，非饱和土−光滑混凝土界面的峰值强度随着基质吸力的增大，均表现为先增大后减少。其原因在于当基质吸力大于进气值时，非饱和砂土的有效应力不再与饱和土相同，表现为当基质吸力增大时，吸应力将急剧减小，并可能趋于0。而对于非饱和土−粗糙混凝土界面，竖向压力为50 kPa 时，基质吸力为13.31 kPa 的抗剪强度略大于基质吸力为46.21 kPa 下的抗剪强度，而竖向压力为100 kPa 和200 kPa 时，试验峰值表现为在基质吸力为46.21 kPa时最大。可见对比于土−粗糙界面，土−光滑界面的剪切机制可能是由土颗粒或土与界面之间的滑移控制，而非咬合控制。

2.3 非饱和土−结构界面的剪胀特性

图9～10 表示土−界面直剪试样在不同基质吸力下竖向位移和剪切位移的关系(图中正竖向位移代表向上位移，即剪胀，反之为剪缩)。

图9 不同基质吸力的竖向位移-剪切位移曲线(土-光滑界面)Fig.9 Vertical displacement-shear displacement curves of different net normal stresses(Soil-Smooth interface)

图10 不同基质吸力的竖向位移-剪切位移曲线(土-粗糙界面)Fig.10 Vertical displacement-shear displacement curves of different net normal stresses(Soil-Rough interface)

由图可知，在相同粗糙度及基质吸力下，当法向应力较小时(50 kPa，100 kPa)，剪切前期竖向位移随着剪切位移的增大而减小，出现一定程度的剪缩；而后竖向位移随着剪切位移增大而增大，产生剪胀现象，最后则趋于平缓。其原因在于，在剪切前期颗粒间空隙减小，颗粒连结紧密，造成土体体积稍有减小，宏观表现为剪缩；随后由于土颗粒的咬合作用，土体在剪切时土颗粒间相互翻越或抬起，从而宏观表现为剪胀现象。此外由图可知，当法向应力较大时(200 kPa)，随着剪切应力的增大，竖向位移单调增大，即土体始终表现为剪缩现象。这主要是因为土体膨胀模量与压缩模量不同，在剪切过程中，土体的不同颗粒的接触点上剪应力分布不均，使得宏观上表现为体积压缩量大于体积膨胀量进而发生土体压缩，此外，剪切过程中砂颗粒破碎以及平均孔隙率的减少等原因都可能会造成土体出现剪缩现象[12]。

值得注意的是，在相同粗糙度及净法向应力作用下，基质吸力为0 kPa 时(饱和情况)均未出现剪胀现象。而当基质吸力逐渐增加时(从6.72 kPa增加到46.24 kPa)，剪胀逐渐明显。这意味着基质吸力会增强界面剪胀特性。究其原因在于，基质吸力作用会使土体变硬，土颗粒连结紧密，从而更容易出现挤压重新排列的现象。

除此之外，当吸力为定值时，粗糙界面剪胀量明显高于光滑界面，表明非饱和砂土−混凝土界面的剪胀势随着界面粗糙度的增加而增加。

2.4 界面剪切强度包线

由图11 可知，在不同基质吸力下，界面剪切强度随净法向应力几乎呈线性变化，其包络线斜率用表观界面摩擦角δmax表示，截距用表观黏聚力ca表示。斜率随着基质吸力的增大而增大，截距随着基质吸力的增大先增大后降低。斜率的变化是由于剪胀角随基质吸力的变化引起的，而截距的变化则代表基质吸力及基质角的影响。

图11 不同吸力下光滑界面的剪切强度破坏包线Fig.11 Shear stress failure envelope with smooth interface under different suction

此外，图12 则表明光滑和粗糙界面在较低净法向应力(50 kPa)下，剪切强度较为接近，而随着净法向应力的增大，界面剪切强度则表现为：土−粗糙界面>土−土界面>土−光滑界面，这表明摩擦强度随着净法向应力增大逐步凸显优势。

图12 ua-uw=13.31 kPa下不同界面剪切强度破坏包线Fig.12 Shear stress failure envelope with different interfaceshear while ua-uw equals to 13.31 kPa

3 非饱和砂土-混凝土界面剪切强度模型

FREDLUND 等[13]为探讨基质吸力增加非饱和土抗剪强度的本质，引入了另一个与基质吸力变化相关的材料变量基质角ϕb，并由此提出非饱和土扩展Mohr-Coulomb 强度准则，以表示非饱和土的抗剪强度：

有相关研究[14-15]证明了式(4)同样适用于非饱和土与结构界面的剪切试验结果。由本文前述试验结果可知，基质吸力增加了土体剪胀势，进而增加了土与结构界面的剪切强度。而式(4)并未能反映剪胀对界面表观摩擦角影响，为此，根据非饱和界面剪切强度理论，结合试验现象，在式(4)的基础上，本文考虑将非饱和土-结构界面的抗剪强度破坏包络线改写为：

式中：c是总黏结力；c'和δ'分别为饱和土的有效黏聚力和有效内摩擦角，与基质吸力(ua-uw)无关；δb为界面基质角；ψi为剪胀角；δmax=δ'+ψi为表观摩擦角；

由此，以界面剪胀角ψi表示剪切过程中界面体积的变化率，如式(7)所示。其中ψi不仅是土体界面结构和状态变量的函数，而且是土体中吸力的函数。可见，式(5)将吸力对抗剪强度的贡献分成2个部分，分别对应于不同的强度增大机理：吸力使土体与界面间有效应力增加；吸力对界面剪胀势的贡献，从而使非饱和土−结构界面的抗剪强度各参数具有更明确的物理意义。

式中：δy为竖向位移增量；δx为剪切位移增量。不同基质吸力下的剪胀角如表3和表4所示。

表3 光滑界面不同基质吸力下的ψi，δmax，ca值Table 3 ψi,δmax,ca values under different matric suction at smooth interface

表4 粗糙界面不同基质吸力下的ψi，δmax，caTable 4 ψi,δmax,ca values under different matric suction at rough interface

图13为利用饱和条件下砂土-混凝土界面的有效抗剪强度参数(c'和δ')以及不同吸力下的剪胀角和基质角解析值，拟合得到的试验数据与修正模型分析的抗剪强度结果对比图。由图13 可知，在不同净正应力和粗糙度下，修正模型预测的界面抗剪强度与试验数据有较好的相关性。说明剪胀对界面表观摩擦角有显著影响，进而影响界面抗剪强度。