冻结黏土-混凝土界面动力剪切特性研究

2022-10-22谢一鸣陈拓王建州谷素兵朱飞跃

铁道科学与工程学报 2022年9期

谢一鸣，陈拓，王建州，谷素兵，朱飞跃

(1. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221116；2. 中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116)

随着“一带一路”倡议和“西部大开发”国家战略的实施，我国西部地区包括公路和铁路在内的基础设施工程建设突飞猛进，极大地促进藏区经济发展，同时巩固了国防安全[1]。多年冻土作为一种对温度极为敏感的岩土介质，冻土的物理力学性质极易受外界环境的影响[2]。在全球气候变暖影响所导致的冻土逐渐退化的大背景下，桩基础作为保护多年冻土地基稳定性最适宜的基础形式，将继续被大量应用于高海拔寒区冻土工程[3]。需要认识到的是，青藏高原是我国新构造运动与地震活动最强烈的地区[4]，频繁的地震活动对桩基稳定性造成很大的威胁。除此，多年冻土区工程建设时产生的各种机械振动和线性工程交通带来的车辆振动等，都会对寒区道路、桥梁和构筑物桩基础产生不利于稳定性的影响。桩基动力稳定性很大程度上取决于桩-冻土接触界面的动力学行为，因此，对多年冻土地区桩土界面动力剪切特性的研究，成为需要重点关注和研究的科学问题。冻土与桩间冻结强度的研究起源于苏联，崔托维奇[5]提出冻结强度可以通过基础与结构接触界面的剪切强度来度量。目前相关研究仍主要集中在界面冻结强度的形成过程及影响因素研究方面。PARAMESWARAN[6]以冻土-桩接触面为研究对象，利用不同材质的桩体对界面冻结强度进行了测试。BONDARENKO 等[7]以冻土-岩石接触界面为研究对象，对不同温度作用下界面冻结强度进行试验研究，得出界面黏聚力和摩擦角随温度的变化趋势。LADANYI 等[8]对温度为-2 ℃时，2 种材料桩基(铝和钢材)分别与砂土、黏土之间接触界面的力学特性进行了研究。KO 等[9]对桩土界面间力学行为的影响因素进行了深入研究，得出寒区桩基的承载力主要由桩土界面间的冻结强度组成的结论。WANG 等[10]通过改进粗糙度算法，对土-结构界面在冻结条件下的剪应力响应、抗剪强度及指标进行了相应的试验研究。XU 等[11]对土石混合体剪切破坏过程中内部微观作用的影响进行相应的研究，总结出其混合体内部在外荷载作用下的破坏过程规律。吕鹏等[12]以垂直压力、温度和含水量为影响因素，对冻土-混凝土接触面开展直剪试验，总结了界面抗剪强度的变化趋势。王玉萍等[13]对桩-冻土界面的剪切特性进行了研究，得出了各种材料桩体-冻土界面强度参数的衰减规律和直剪试验临界温度。吉延峻等[14]考虑不同含冰量、冻土温度及水灰比条件下，对现浇混凝土与冻土接触面的力学特性进行了直剪试验研究。何鹏飞等[15]对冻土-混凝土界面冻结强度在冻融循环作用下的变化特性进行了更深入的研究。杜洋[16]通过开展冻土-混凝土界面剪切试验，对冻融循环下冻土与混凝土界面剪切强度损失规律和界面处微观结构的劣化问题进行了探究。而研究动力荷载作用下，界面剪切特性的相关学术成果较少。仅有张嘎等[17-20]通过动力剪切试验对界面的剪切特性、动力学特性和动应力应变关系进行了探索性研究。更进一步，在动荷载作用下桩土界面冻结强度特性目前还未见相关文献报道，亟待开展系统研究。基于此，在常规直剪仪的基础上，搭载动力控制系统和温度控制系统，通过开展不同影响因素条件下的冻结黏土-混凝土桩基界面动力剪切试验，研究动荷载作用下，试验温度、法向压力、动荷载频率及振次对冻土-混凝土界面冻结强度的影响，同时探讨界面剪切破坏后的残余强度的变化规律。

1 动力直接剪切试验

1.1 试验系统研制

动力直剪试验系统主体为常规直剪仪，利用砝码杠杆系统施加法向力。通过对常规直剪仪进行改进，搭载动力控制系统、温度控制系统和数据量测采集系统，同时对直剪盒进行改造，使之与外部冷浴系统相连实现对试样温度的控制(图1)。

试验搭载的动力控制系统主要由SPFO5 型函数信号发生器、功率放大器和HEV-1000 高性能激振器连接组成。在实际工作中，函数信号发生器发出规定的动荷载波形，功率放大器对接收的波形信号进一步放大并传输给激振器，由激振器进行试验所用动力输出。该动力控制系统可以实现不同荷载波型输出、振动频率800 Hz 以内、不同振动次数、振幅±10 mm 的加载。调节功率放大器的调节旋钮，对激振器输出水平激振力的大小进行精准控制，实现不同需求时的动力加载。

温度控制系统由实验室现有的冷浴机、改装剪切盒和用于循环流通冷却液的橡胶管组成。该冷浴机可实现对范围为-30～+90 ℃的温度控制，精准度达±0.05 ℃，冷浴液体使用工业酒精，降温效果符合本次剪切试验对试样环境的制冷程度、精准度和稳定性的要求。

试验采用S 型MIK-LCS1 拉压力传感器测量试验过程的水平拉压力数据，传感器量程为0～5 kg，传感精度偏差在0.3%以内；YWC-50 型应变式位移传感器量测下剪切盒水平向位移，传感器精度可达±0.01 mm；利用MILK-WZP 探头式温度传感器置于冻土体上表面凹槽处实时监测试样的温度，传感器测量范围为-50 ℃～150 ℃，具有体积小，感应灵敏等优点；DT80G 高速采集仪对试验过程中各传感器传输的数据进行采集处理，数据采集周期为1 s。

该试验所用剪切盒为自主设计、改装和定制的剪切盒。上剪切盒放置φ61.8 mm 土体试样，盒体内部用机器铣出上下贯通的循环管道，管道出入口置于剪切盒一侧并与外部冷浴连接；下剪切盒放置84 mm×84 mm×24 mm 的混凝土试块，混凝土尺寸大于土样尺寸可以有效避免上下剪切盒相对移动时，有效剪切面积逐渐减小这一缺陷造成的应力集中现象。

1.2 土样选取及试样制作

本试验土样取自青藏高原多年冻土区青藏铁路北麓河段，依据《土工试验方法标准》对该土进行基本物理性质分析，相应数据见表1 和表2，属低液限黏土。

表1 实验用土物理性质Table 1 Physical properties of experimental soil

表2 实验用土粒径分布Table 2 Particle size distribution of experimental soil

将原状土料烘干后充分干燥冷却，然后碾压过1 mm 筛。取一定重量的干燥土壤，喷入计算好重量的蒸馏水，充分搅拌，然后置于容器中。经过一天一夜静置后按照预定含水率配制土样，然后把土样分3层定量装入土样盒中，每层装样后振捣使其均匀密实，并控制装样后土样整体平均密度为1.96 g/cm3。装样完毕后，用标准环刀取出规定尺寸土样，并用修土刀将取出土样顶面刮平，使其表面光滑致密，土样制备完成。取制样剩余土进行含水率检测，结果表明，制样过程中土体含水率基本未发生变化。

使用PO32.5普通硅酸盐水泥配置混凝土试块，水泥砂浆配合比：天然河砂、水泥和水比例为1.225∶1∶0.44。将水泥砂浆均匀地装入定制的混凝土模具中振捣抹平，完成后按照标准程序养护28 d。挑选完整度高的模块作为最终混凝土试样。经测试，该水泥砂浆试块具备一定的强度，其表面在界面剪切过程中不会出现明显的颗粒剥离，因此，可近似代替标准混凝土试块进行界面剪切试验。

将土样放置于混凝土标定位置，并用保鲜膜密封土-混凝土试样用以避免土样含水量下降。使用岩土实验室内的冻土低温环境箱对试样进行温度为-20 ℃，时长12 h 的快速冻结。冻结过程中，利用质量为1 kg 的标准砝码在试样上方施加一定的压力，以保证土体和混凝土块的完全接触，待样品完成冻结后从环境箱中取出，拆除保鲜膜得到试验样品，如图2所示。

2 试验工况设计

前期测试结果表明，法向压力为400 kPa，界面发生破坏性位移时，最大水平剪切力在1 kN 左右。考虑到本次试验最大法向压力为300 kPa，最大水平推力设定为1 kN。为研究接触界面在不同动荷载频率下的特性规律，本试验动荷载频率设定为0.75，1.25 和1.5 Hz。土样的直径为61.8 mm，当界面处应变达到10%时，视为试样发生破坏，为保有余量，选剪切位移±8 mm 作为试样破坏位移。该系统水平动力加载的控制方式为应力控制，具体性能参数如表3所示。

表3 设计参数指标Table 3 Design parameter index

本试验研究主要考虑法向压力、温度、动荷载频率和振次对界面冻结强度的影响，土体含水率控制为15%不变。北麓河段年平均气温为-5.6～-3.6 ℃，年平均地温为-1.5～-0.5 ℃[21]。故本试验温度选取-1 ℃，-3 ℃和-5 ℃。试样完成快速冻结后，快速移入剪切实验室，置于剪切盒内，控制试验样品达到试验要求温度，开展剪切试验。整个剪切过程在2 min 内即可完成，实验室的外部温度环境对试样内部温度影响较小。该动力直剪试验中，分别考虑法向压力为100，200 和300 kPa，动荷载频率为0.75，1.25 和1.5 Hz，振动次数N为10次、20次和30次。试验共进行21组，每组进行5 次平行试验，最后取其中数值最接近均值且剪切过程稳定顺利的试验结果。剪切试验方案具体安排如表4所示。

表4 试验方案Table 4 Test program

3 试验系统可靠性分析

开始正式试验之前，针对该直剪试验系统的动力控制系统和温度控制系统进行相关性能测试，确保其能够符合试验要求，得出稳定可靠性试验数据。

首先，需要测试动力加载及相应位移响应的准确性。设置函数信号发生器，使激振器输出既定的波型荷载，再通过功率放大器的调节旋钮实现对激振力输出的调节，最后对水平激振力和位移数据进行采集。测试输出波形选择振动频率为0.75 Hz 的正弦波，每级动荷载振动周期30 s，输出模式采用恒压输出，旋转功率放大器的调节旋钮来实现荷载逐级增加。

图3为试验系统测试过程中的激振力和位移时程曲线。如图3所示，为处理测试数据得到的激振力和位移时程曲线。由图3可知，激振器对力和位移的输出完全符合指定的波型特征，激振力和位移均实现逐级增加，且数据精确稳定。故该动力控制系统满足试验要求。

其次，需要测试试验过程中温度的稳定性和温度控制系统的可靠性。将温度传感器布置于冻土上表面细槽中，传感器记录的数据为剪切试验中冻土上表面的实时温度，可近似看作接触界面处的温度值。图4 为控制温度在-1 ℃，-3 ℃和-5 ℃条件下，剪切试验全过程的温度曲线。如图可知，该温度控制系统在剪切试验过程中温度控制精确，波动幅值在±0.2 ℃之内，符合试验对温度稳定性的需求。

4 试验结果分析

4.1 剪应力与剪切位移关系及变化规律

动力剪切试验条件设定为：温度-1 ℃，法向压力100 kPa，动荷载频率0.75 Hz，振动次数10次。如图5所示，为该试验条件下，剪切位移和剪应力的时程曲线。根据时程曲线，取每级加载剪应力的平均值及所对应的位移点数值，作为剪应力-位移曲线上的代表性标记点。连接各级标记点便得出此试验条件下的典型剪应力-位移曲线，如图6 所示。通过对典型剪应力-位移曲线进行分析，可以发现界面力学行为表现为应变软化型，曲线可明显分为4个阶段。

第1 阶段，弹性增长阶段。在此阶段内，冻土-混凝土界面尚未发生破坏，接触面剪应力随剪切位移的增大而呈现近似线性增长状态。此时，界面主要通过冻结强度来抵抗和平衡水平外荷载的作用。

第2阶段，脆性破坏阶段。剪应力到达峰值后随着剪切位移的增大有非常明显的陡降段，此时水平剪应力超过界面冻结强度，冻土-混凝土界面发生破坏，破坏形式为脆性破坏。在本文中，将界面发生破坏时的剪应力峰值定义为冻土-混凝土界面的峰值强度。

第3阶段，强度恢复阶段。剪应力骤降至最小值后，随着位移的增加出现少量增大的现象。分析认为，该阶段为冻土-混凝土界面发生脆性破坏后，低温冻结条件使得原本界面处冰膜破坏产生的少量未冻水再次冻结，冻土-混凝土间产生新的冰胶结作用，使剪应力增大。

第4阶段，残余稳定阶段。在该阶段中，随着位移的增大，剪应力基本稳定在一个的数值。在剪切过程中，冻土和混凝土接触面积保持不变，此时剪应力主要由界面摩擦力和再次冻结的胶结力承担。在本文中，将残余稳定阶段的剪应力定义为冻土-混凝土界面的残余强度。

4.2 不同温度条件下界面抗剪强度

为了研究动力荷载条件下界面抗剪强度随温度的变化特性，在试验过程中控制动力荷载条件，设置谐波动荷载的频率为0.75 Hz，振次N=10。

如图7所示，为此动力荷载作用下，改变不同法向压力和温度条件时，界面剪应力-剪位移的关系曲线。由图中可以看出：各温度条件下，随法向压力的增大，弹性增长阶段界面剪切位移减小、峰值强度及残余强度呈现增大的趋势。各法向压力条件下，随温度降低，弹性增长阶段剪切位移减小、峰值强度和残余强度呈现增加的趋势。

如图8所示，为不同温度条件下接触界面峰值强度包络线。从图中可以看出：各试验条件下，随温度的降低，接触界面峰值强度增大。说明冻结力在冻土-混凝土界面剪切强度中承担及其重要的作用，并随温度的降低不断增加。

不同试验温度条件下，界面峰值强度与法向压力之间呈线性函数的关系，应用摩尔-库仑强度理论可获得界面动强度参数。表5为不同温度条件下冻土-混凝土界面的动强度参数。分析可知，界面动黏聚力随温度变化较为显著。当温度由-1 ℃降至-3 ℃，界面动黏聚力提高30%，当温度进一步降低至-5 ℃，界面动黏聚力再次提高57%。该过程中，动内摩擦角变化量则在5%以内。分析认为，温度对剪切强度的影响更大程度上是通过增强界面冰胶结力来实现动内聚力增大，从而达到提高冻土-混凝土接触界面峰值强度的效果。

表5 冻土-混凝土界面的动强度参数Table 5 Dynamic strength parameters of frozen soil-concrete interface

如图9 所示，为不同温度条件下，冻土-混凝土接触界面残余强度包络线。结果表明，界面残余强度随温度的降低呈现增强的趋势，两者之间具有一定的线性关系，但是其强度特性不服从摩尔库伦准则。残余稳定阶段，界面摩擦力和低温再冻结产生的冰胶结力是残余强度主要组成部分。分析认为，温度对残余强度的影响更大程度上是通过对界面冰胶结力的作用实现的；法向压力对残余强度的影响则是通过改变冻土-混凝土接触界面摩擦力大小来实现的。

4.3 动荷载特性对界面强度特性的影响

4.3.1 动荷载频率的影响

为了研究动荷载频率对界面强度特性的影响，将谐波频率和温度作为控制因素，设置法向压力为100 kPa，振次N=10。图10 为各温度条件下，输出不同动荷载频率时，界面剪应力-剪位移的关系曲线。由图10 可以看出，弹性增长阶段中，动荷载频率增大，界面剪切位移随之减小。分析认为，动荷载频率增大，动荷载作用次数增加，荷载做功使得界面吸收能量得以增加，黏土和混凝土界面会随着出现破坏，界面冻结强度降低，更易产生相互错动，表现出界面剪切位移随之减小。

图11 为界面峰值强度随频率的变化特性。从图中可以看出，峰值强度随频率的增加而减小。分析认为，随着动荷载作用频率的增加，界面冻结状态会加速破坏，冰胶结作用进一步减弱，从而呈现出界面峰值强度降低的现象。

图12 为界面残余强度随频率的变化特性关系曲线。从图中曲线可以得出，残余强度和动荷载频率之间并无线性关系，且随频率的增加，残余强度呈现先增大后减小的趋势。在动力剪切试验条件下，存在某一频率使冻土-混凝土界面残余强度达到最大。

4.3.2 动荷载振动次数的影响

为了研究动荷载振动次数对界面强度特性的影响，将谐波振次和温度作为控制因素，设置法向压力为100 kPa，频率为0.75 Hz。图13为各温度条件下，输出不同动荷载振次时，界面剪应力-剪位移的关系曲线。由图中可以看出，弹性增长阶段中，动荷载振次增加，界面剪切位移随之出现先增大后减小的趋势。

图14 为界面峰值强度随振次的变化特性。从图中可以看出，峰值强度随振次的增加而减小，但随振动次数的增加，影响效果也逐渐降低。分析认为，随着动荷载振次的增加，界面剪切力、摩擦力作用时间增长，对冰胶结作用造成持续减弱的影响，从而呈现出结构接触界面峰值强度降低的现象。当外界动荷载作用与冻结作用达到相互平衡以后，峰值强度的受振次的影响开始逐渐减弱。

图15 为界面残余强度随振次的变化特性关系曲线。从图中可以看到，残余强度和振次之间无明显线性关系，整体上残余强度随振次的增加呈现出先增大后趋于稳定的趋势。分析认为振次对残余强度的影响程度较小，可能因振次增加使剪切时程变长，界面温度场得以稳定，曲线出现随振次增加先增大后稳定的变化。