純砂巖鋼—土界面剪切規(guī)律時(shí)效性試驗(yàn)研究

摘 要 通過控制試樣的顆粒級配、干密度、含水率，利用改進(jìn)的直剪儀研究了不同預(yù)壓時(shí)間對純砂巖鋼-土接觸界面的剪切特性的影響。設(shè)計(jì)試驗(yàn)預(yù)壓時(shí)間分別是0h、1h、6h、和24h，觀測不同預(yù)壓時(shí)間的試樣分別在法向應(yīng)力為50kpa、100kpa、150kpa、200kpa條件下的水平位移和法向位移，引入摩爾-庫倫準(zhǔn)則，分析了其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、抗剪強(qiáng)度的變化特性。

關(guān)鍵詞 時(shí)效性 鋼土界面 剪切特性

一、引言

隨著內(nèi)河航運(yùn)的飛速發(fā)展和西部大開發(fā)的推進(jìn)，山區(qū)河流的碼頭建設(shè)中，大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁已得到了大量的運(yùn)用。由于擾動(dòng)等作用的影響，在成樁的過程中單根樁的承載力隨著時(shí)間的推移而得到提升的現(xiàn)象稱為時(shí)效性。對于鋼護(hù)筒嵌巖樁，其時(shí)效性主要表現(xiàn)為嵌巖段以上的岸坡回填覆蓋層對樁的承載性能的影響。覆蓋層與鋼護(hù)筒之間的剪切特性是影響此樁基側(cè)阻力發(fā)揮程度的主要因素，然而覆蓋層都是成樁后再回填的，因此研究回填覆蓋層與鋼護(hù)筒的剪切特性隨時(shí)間的變化規(guī)律對工程實(shí)際具有重要的指導(dǎo)意義。Potyondy通過一系列的直剪試驗(yàn)，研究了不同土料與接觸面的力學(xué)特性，得出土的性質(zhì)、界面粗糙度、法向應(yīng)力及含水率是影響土體剪切特性的主要因素。胡黎明等人用臨界粗糙度將接觸面定義為粗糙接觸面和光滑接觸面。張嘎等利用自制的大型剪切儀器也進(jìn)行了一系列的粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪切試驗(yàn)。分析以往學(xué)者的研究成果，發(fā)現(xiàn)關(guān)于對界面剪切特性時(shí)效性的研究較少，本文基于前人研究的基礎(chǔ)上，主要研究了在純砂巖的情況下時(shí)效性鋼土界面的剪切特性的影響。

二、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文中的試驗(yàn)土料取自位于長江上游的重慶港口，為了使試驗(yàn)與實(shí)際工程使用材料相符合，考慮到實(shí)際工程中土料的擾動(dòng)作用，試驗(yàn)土樣采用重塑土，其制備過程是通過現(xiàn)場取樣、風(fēng)干破碎、篩分、按原狀土干密度和含水量配樣、擊實(shí)成樣。本文設(shè)計(jì)試樣干密度1.85g/cm3，含水率為8%。

三、數(shù)據(jù)分析

（一）剪應(yīng)力-位移曲線隨預(yù)壓時(shí)間的變化分析

根據(jù)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，分別做出各法向應(yīng)力不同預(yù)壓時(shí)間條件下的剪切應(yīng)力 （kpa）隨水平位移 （mm）的變化關(guān)系曲線。本文以法向應(yīng)力為200kpa時(shí)為例做對比分析，見圖1。由圖可知，不同預(yù)壓時(shí)間下的 - 關(guān)系曲線的發(fā)展趨勢大致相同。其剪切過程可分為三個(gè)階段：剪應(yīng)力隨剪切位移急劇增長的彈性階段、剪應(yīng)力隨剪切位移的增長增長緩慢的塑性階段和剪應(yīng)力隨剪切位移的增長趨于穩(wěn)定的破壞階段，其中剪應(yīng)力的增長量有超過90%的發(fā)生在彈性階段。從圖1中還可以看出，隨著預(yù)壓時(shí)間的增加， - 關(guān)系曲線在其彈性階段斜率越來越大，說明剪應(yīng)力隨剪切位移的增長速度有所提升。

（二）抗剪強(qiáng)度隨預(yù)壓時(shí)間的變化分析

由試驗(yàn)得到的不同預(yù)壓時(shí)間的各法向應(yīng)力條件下其極限抗剪強(qiáng)度值，擬合成 - 關(guān)系曲線如圖2。由圖可以看出擬合的 - 曲線具有良好的線性關(guān)系，表明試驗(yàn)得到的鋼土界面剪切強(qiáng)度是符合摩爾-庫倫準(zhǔn)則的；且隨著預(yù)壓時(shí)間的增加其曲線在圖中的位移越偏上，說明隨著預(yù)壓時(shí)間的增加，抗剪強(qiáng)度有一定的提升。

（三）抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨預(yù)壓時(shí)間的變化分析

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，由圖解法可以得到土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角 和粘結(jié)力c，圖3和圖4分別是其隨時(shí)間的變化趨勢。

四、結(jié)語

本文針對純砂巖土料，對鋼土接觸面剪切特性的時(shí)效性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探索了純砂巖的鋼土界面剪應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、抗剪強(qiáng)度及強(qiáng)度參數(shù)隨預(yù)壓時(shí)間的變化規(guī)律，得到了以下結(jié)論：

（1）純砂巖鋼土界面剪應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為彈塑性，沒有明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象發(fā)生，隨著預(yù)壓時(shí)間的增加，剪應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線形式基本一致；

（2）純砂巖的抗剪強(qiáng)度主要受接觸面上所加的法向應(yīng)力的影響，隨著法向應(yīng)力的增加，抗剪強(qiáng)度有著明顯的提升；預(yù)壓時(shí)間對純砂巖的抗剪強(qiáng)度的影響較小，隨著預(yù)壓時(shí)間的增加，抗剪強(qiáng)度有一定的提升，提升速度逐漸減緩，最后抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；

（3）由6h和24h的抗剪強(qiáng)度對比可知純砂巖的時(shí)效性能在短時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出來，但是這個(gè)時(shí)間應(yīng)該至少大于6h；

（4）通過摩爾-庫倫準(zhǔn)則，擬合不同預(yù)壓時(shí)間下的粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角 ，發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)壓時(shí)間的增加，粘結(jié)力表現(xiàn)出先增加后降低并趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，而內(nèi)摩擦角表現(xiàn)為增加并趨于穩(wěn)定。

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（作者單位：重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心；重慶交通大學(xué)河海學(xué)院）