土体与混凝土界面剪切特性试验研究

梁冬冬

(中铁十八局集团第三工程有限公司 ,河北 涿州 072750)

长期以来,诸多学者都对土体与结构间的剪切性能进行了大量研究:为研究含水率对非饱和砂土抗剪强度的影响,王瑞等[1]对多种不同含水率、法向应力条件下的海洋黏土-混凝土界面进行了剪切试验,指出海洋黏土含水率越低,土体剪切带面积越大。王永洪等[2]基于自行研制大型界面剪切仪器设备,研究不同剪切速率下黏土与混凝土界面的剪切应力变化特征,试验考虑了超孔隙水压力和法向应力的影响,研究结果指出剪切速率明显影响界面的剪切峰值强度,剪切速率增加使得剪切曲线出现应变软化现象。为了揭示不同混凝土顶管-砂土接触面剪切摩擦特性,李天降等[3]采用直剪试验研究了5种砂土在不同法向应力、不同剪切速率及不同润滑状态下与混凝土管接触面的摩擦特性。为了探讨结构物表层粗糙度对桩-土界面剪切特性的影响及其规律,汪优等[4]采用ZJ型应变控制式直剪仪进行混凝土桩-黏土接触面直剪试验,定量分析了粗糙度对界面的剪切破坏及变形的影响。王俊杰等[5]基于改进的室内剪切试验,对砂岩泥岩混合料与混凝土界面展开了直接剪切试验,观测不同混凝土粗糙度条件下剪切应力应变关系,指出土体与结构物的接触存在峰值剪切应力和残余剪切应力。

综上所述,目前已有的研究多以单一土体为主,不同土体与混凝土界面的剪切力学特性仍需进一步研究。本文选取多种土体进行直剪试验,对土体不同含水率及不同法向应力条件下土体与混凝土界面的剪切规律进行研究,从而为不同土体的侧阻力分析提供参考。

1 剪切试验

1.1 试验仪器

本次试验选用DZJ-1大型直剪仪,直剪仪主机由安装有主气缸、辅助气缸的封闭框式主机、气压伺服控制系统、上下剪切盒、传力板、透水板、开缝板、导轨、辅助台等组成。测量系统由法向荷载传感器、传感器、垂直位移计、水平位移计等组成。剪切盒尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。直剪仪如图1所示。

图1 DZJ-1型大型直剪仪

1.2 试验材料

试验所用的土样包括中粗砂、粉细砂、淤泥及砂质泥岩,试样取自佛山高明幸福楼片区道路改造工程,各试样参数如表1所示。

表1 试验土基本物理性质

1.3 试验方案

直剪试验采用应变控制式、固结不排水,剪切速率设置为1 mm/min。为研究不同土体、不同法向应力、不同含水率对界面抗剪性质的影响,本试验选取4种单一土体,分别在4种不同含水率、3种法向应力条件下进行剪切试验,共计48组试验。在采用淤泥和砂质泥岩为试验对象时,在高含水率条件下,土体强度大幅降低,在施加较高法向应力条件下,土体从剪切盒开缝中大量挤出,导致试验无法进行,故将该工况下的法向应力分别调整为25、50、75 kPa及50、100、150 kPa,试验工况设置如表2所示。

表2 试验工况

依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)中的方法预先配置重塑土体,通过风干、粉碎、过筛3道工序,通过控制土样干密度以及添加不同质量水的方法配置工况中所述含水率的土样,配置过程中需要充分搅拌土体,确保土体与水充分接触,配置完毕后,将土体在恒温密封条件下静置24 h,从而保证土体均匀含水。

试验开始之前,首先在下剪切盒中装入预制好的混凝土块,随后分层向剪切盒中装入土样,共分5层装入土体,每层土体需击实。在使用击实器击实时,振动过大可能使高含水率的土样发生液化,而且其击实的冲击力可能大于预设的法向应力,从而导致土体结构过度紧实,影响试验结果。故先采用人工击实,主要使土体在剪切盒内均匀分布,在装入下一层土体之前进行刮毛,从而确保各层土体之间的咬合性及完整性。当所有土体装填击实完毕后,再通过直剪仪对预设土压力进行固结,当其法向位移变化速率小于0.5 mm/min时,开始进行剪切。每组试验过程中每6 s采集一次数据,其记录的数据包括剪应力、剪切位移、法向应力、法向位移等。在试验结束后,观察界面剪切情况。

2 试验结果分析

2.1 剪切应力-剪切位移曲线变化规律

2.1.1 不同土质对剪切应力的影响

15%含水率条件下不同土样在法向应力为100 kPa时的剪应力-剪切位移曲线如图2所示。由图2可知,在法向应力100 kPa、15%含水率条件下,中粗砂以及粉细砂这类无黏性土,其土-混凝土界面剪应力随剪切位移的增大,剪应力先快速增加,然后在较小的剪切位移范围内迅速趋近于某一值,其变化规律近似于双曲线;对于淤泥以及砂质泥岩这类黏性土,其与混凝土界面间的剪切特性与中粗砂和粉细砂有较大的区别,随着剪切位移增加,在经历过一段快速增长的阶段后,会出现一个较为明显的拐点,在拐点后,剪应力的增长速度会放缓,但其放缓的幅度有限,并未迅速趋近于某一常数,在剪应力缓慢增长的过程中,其增长速率会降低。淤泥以及砂质泥岩的剪应力在剪切位移达到20 mm时,其剪应力较中粗砂和粉细砂偏大。不同土样与混凝土界面的剪应力由大到小依次为:淤泥、砂质泥岩、中粗砂、粉细砂。

图2 15%含水率条件下不同土样的剪切应力-剪切位移曲线

2.1.2 不同含水率对剪切应力的影响

不同含水率条件下不同土样在法向应力为100 kPa时的剪应力-剪切位移曲线如图3所示。由图3可知,在法向应力100 kPa条件下,土体的含水率不仅影响土体自身强度,另外对土和结构界面的剪切特性也会产生一些影响。对不同的土体,在含水率提高后,其界面的剪应力都出现了不同程度的下降,淤泥和砂质泥岩在同一法向应力条件下,界面受到含水率影响较大,其剪应力出现了较大幅度的下降,下降的幅度约为8～25 kPa;中粗砂和粉细砂在同一法向应力条件下,随着含水率的提高,界面的剪应力出现下降,降低的幅度约为2～4 kPa,说明淤泥及砂质泥岩这类黏性土的界面强度对水的敏感性远大于砂。

图3 不同含水率条件下不同土样的剪切应力-剪切位移曲线

从多个不同含水率条件下的中粗砂、粉细砂、淤泥以及砂质泥岩的剪应力-剪切位移曲线来看,其界面剪应力-剪切位移曲线整体呈现为硬化型,即伴随着剪切位移的增大,其剪应力始终呈现增大的趋势,这可能是由于随着法向应力的施加以及滑动面的错动,其界面附近的土体愈发密实,从而导致剪应力的提高。

2.1.3 不同法向应力对剪切应力的影响

以中粗砂与粉细砂为例,不同法向应力条件下中粗砂和粉细砂剪应力-剪切位移曲线如图4所示。由图4可知,在含水率固定不变的条件下,界面的最大剪应力随着法向应力的提高而提高。其原因在于,在低法向应力条件下,土体颗粒间咬合作用相对较弱,土颗粒间的相对位置易发生改变,在剪切过程中,可能在剪切面上还存在局部的滚动摩擦现象,因此其抗剪切作用较弱;随着法向应力的提高,一方面土体变得更加密实,另一方面土体与混凝土界面贴合也更加紧密,其摩擦效果被加强,因此最大剪应力将出现大幅度的提高。在200 kPa和300 kPa的法向应力作用下,粉细砂的剪应力-剪切位移曲线逐步变为软化型,即曲线在经历峰值后,剪应力出现回落,这可能是由于在高法向应力条件下,砂中的水被排出,在接触面上形成的水膜厚度变厚,从而导致润滑作用也增强,造成界面间的摩阻力变小,即由于孔隙水压力增强导致有效应力下降,从而降低了抗剪强度。

图4 不同法向应力条件下中粗砂和粉细砂的剪切应力-剪切位移曲线

2.2 界面抗剪强度的变化规律

把本文试验里各种土体的峰值剪切应力或最大剪应力和法向应力的关系展开线性拟合,详见图5。拟合曲线的相关系数R2均大于0.99,拟合度比较高,界面破坏形式满足Mohr-Coulomb破坏准则要求,即τ=σtanφ+c。式中:τ为抗剪强度(kPa);σ为法向应力(kPa);φ为内摩擦角(°);c为黏聚力(kPa)。

图5 不同土样界面抗剪强度随含水率变化曲线

由图5可知,在土体处于相同的法向应力条件下时,含水率的变化会对界面的抗剪强度产生一定影响。对于中粗砂和粉细砂,伴随着含水率的提高,其界面的抗剪强度将出现略微的下降,其下降幅度很小,且在不同的法向应力下,抗剪强度均呈现出相同的变化趋势。而对于淤泥和砂质泥岩,在低法向应力条件下(100 kPa)伴随着含水率的提高,其界面抗剪强度呈现出下降的趋势,但其下降的幅度较小;而在较高的法向应力条件下(200 kPa、300 kPa),当含水率处于较低水平时,随着含水率的提高,界面抗剪强度出现了小幅的下降,但当含水率超过某一值后,界面抗剪强度的下降速率将陡然提升。其原因在于低法向应力条件下,土体尚未被压实,在含水率提高的过程中土体中的水多以结合水的形式储存在土体颗粒的间隙中,只有较少部分的水在界面上形成水膜,从而诱发了抗剪强度的小幅下降;在高法向应力条件下,土体的体积被大幅压缩,大量的水分被排出到界面上,从而导致界面抗剪强度的下降速率提高。

2.3 界面抗剪强度参数的变化规律

不同土样、不同含水率条件下界面抗剪强度参数如表3所示。

表3 不同含水率条件下土体抗剪强度参数

2.3.1 黏聚力

由表3可知,中粗砂和粉细砂界面的黏聚力始终小于l0 kPa,处于一个较低的水平,且随着含水率的变化,黏聚力变化的幅度仅为2 kPa左右,说明了砂-混凝土界面的强度主要由二者间的摩擦所提供,受黏聚力影响很小,因此可以考虑将摩擦力近似地看作砂-混凝土界面间的抗剪强度。

淤泥和砂质泥岩的黏聚力,随着含水率的提高呈现先增加后减小的趋势,这是由于提高含水率后,土体中水的吸附作用不断增大,且土体的密度增大,从而导致黏聚力逐步增大;当含水率达到某一值后,土体颗粒间的结合水膜厚度增大,水压力的作用大于吸附作用,因此黏聚力开始下降。对比表1中试验数据可知,黏聚力峰值位于土体的塑限附近。

2.3.2 内摩擦角

由表3可知,随着含水率的提高,土与界面间的润滑作用增强,因此中粗砂和粉细砂界面的内摩擦角都呈现略微下降的趋势,内摩擦角分别处于35～38°和29～32°,说明中粗砂和粉细砂的内摩擦角受含水率影响的敏感度较低,即水对于土体颗粒和混凝土界面间摩擦的影响有限。

对于淤泥和砂质泥岩,其界面内摩擦角受含水率影响的敏感度较高,伴随着含水率的提高,其内摩擦角先快速下降,之后下降的速率又放缓。这是由于含水率提高以后,水填满土颗粒之间的空隙,颗粒间之间的摩擦作用下降,最终导致内摩擦角下降,当土颗粒周边均被水填充后,各处的土体和混凝土界面间都将受到水的影响,此时内摩擦角达到最小值,之后虽然含水率仍在提高,但多余的水分会被排出,对内摩擦角将不再产生影响。

3 结论

(1)对于砂土、淤泥和砂质泥岩,土-混凝土界面的抗剪强度呈现出随法向应力增大而增大、随含水率增大而降低的情况。

(2)砂土-混凝土界面的内摩擦角往往随着砂土含水率的增大而减小,黏聚力则始终处于较低的水平,说明对砂土而言,土-混凝土界面的强度主要是由土与界面间的摩擦提供,黏聚力的作用较小。因此混凝土结构在砂土中的摩阻力可近似的看作是砂土与结构之间的摩擦力。

(3)对于淤泥和砂质泥岩而言,土-混凝土界面的内摩擦角随着含水率的增大而降低,而黏聚力随着含水率的增大先增大后减小,同时淤泥和砂质泥岩界面的黏聚力始终较大,故在分析该类型土体与混凝土的摩阻力时不能单纯的看作是摩擦力作用,而应该是摩擦力与黏聚力的复合作用。