破碎泥巖顆粒與鋼護筒接觸面往復剪切特性試驗研究

梁 越，劉澤宇，張 強，袁 野

(1. 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

破碎泥巖顆粒與鋼護筒接觸面往復剪切特性試驗研究

梁 越1,2,3，劉澤宇1,3，張 強1,3，袁 野1,3

(1. 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074；2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

通過改進的室內直剪儀，控制試樣顆粒級配、干密度、含水率等，研究鋼-土接觸面剪切特性在不同往復剪切圈數下的變化情況。分別在法向應力100，200，300，400 kPa條件下，記錄不同剪切圈數下剪應力和法向位移的變化情況，引入摩爾-庫倫準則分析了剪應力位移關系曲線、極限剪應力以及法向位移隨往復剪切圈數的變化規律，發現剪應力位移關系曲線呈先急劇上升后趨于穩定的現象；隨著往復剪切圈數的增加，極限剪應力和法向位移均有逐漸減小的趨勢，且在一定的剪切圈數后趨于穩定；黏結力隨剪切圈數的增加表現為先增大后減小最后趨于穩定，而內摩擦角則逐漸減小并趨于穩定。

巖土工程；破碎泥巖；鋼-土界面；往復剪切；剪切特性

0 引 言

大直徑鋼護筒嵌巖樁在長江上游等山區河流的港口碼頭建設中得到了廣泛運用。其由進入巖層較淺的鋼護筒和內部嵌入中風化巖層一定深度的鋼筋混凝土兩部分組成。在運行中樁不僅承受一定的豎向荷載，還要承受船舶撞擊力、系纜力、水流波浪等重復荷載作用。因此，鋼護筒嵌巖樁樁側鋼-土界面在長期重復作用下的強度演化規律是影響樁基荷載傳遞規律以及承載力、累計水平變形計算的關鍵。故鋼-土界面的往復剪切特性對研究鋼護筒嵌巖樁在重復荷載作用下的承載能力具有重要指導意義。土與結構物接觸面問題，已有大量學者[1-3]對其進行了探究。J.G.POTYONDY[4]通過室內直剪試驗，發現可用類似于摩爾-庫倫的強度準則來描述黏土與結構物接觸面強度。楊有蓮等[5]研究了分別在有無泥皮情況下不同土與混凝土結構接觸面的剪切特性，結果顯示有泥皮的存在時對其剪切特性的影響很大，主要表現在外摩擦角上。胡黎明等[6]進行了一系列的砂土與不同粗糙度接觸面的直剪試驗，提出土與結構接觸面存在臨界相對粗糙度Rcr，并通過Rcr將接觸面分為光滑接觸面和粗糙接觸面。張嘎等[7-9]、馮大闊等[10]利用自制大型剪切儀器系統研究了粗粒土與結構接觸面問題。總結了粗粒土與結構接觸面剪切特性的基本規律，但對于受力易產生破碎的泥巖與結構物接觸面的剪切特性研究甚少。以往學者針對土與結構接觸面的研究大多是基于單調荷載下的剪切試驗。考慮到重慶地區泥巖分布廣泛且常用作碼頭回填土料，經常受到船舶、水流等重復荷載的作用。因此筆者通過控制試樣顆粒級配、干密度、含水率等，針對重復荷載作用下鋼護筒嵌巖樁與回填覆蓋層之間的相互作用問題，主要探究破碎泥巖顆粒在重復荷載下剪切特性的演變規律。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗用料為重慶果園碼頭用于回填的泥巖，弱風化、呈紫紅色，受力易產生破碎。

由室內土工試驗測得，試驗用土基本物理指標：土顆粒密度2.72 g/cm3，天然密度為2.44 g/cm3，飽和密度為2.72 g/cm3，最大干密度為1.92 g/cm3，塑限21.2%，液限39.6%。文中控制試樣干密度為1.85 g/cm3，含水率為8%，顆粒級配見圖1。

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Particle size grading distribution

1.2 試驗儀器

試驗儀器由ZJ型應變控制式直剪儀改進而成，如圖2。主要改進如下：用螺絲將厚2 mm的鋼板一端固定在上剪切盒上，另一端與拉壓力傳感器連接，使鋼板、上剪切盒和拉壓力傳感器共同組成一個剛性整體；在上下剪切盒中間放置一塊厚5 mm且上表面具有一定粗糙度的鋼板，鋼板尺寸與下盒斷面邊長相同，在鋼板上對應下剪切盒孔位置處進行人工鉆孔，孔中插入銷釘將鋼板固定于下剪切盒上，銷釘高度與鋼板面平齊，以此來模擬結構物面板；下剪切盒一端通過銷釘等零件連接到可伸縮的驅動器軸承上，另一端裝有位移傳感器；剪切過程中，裝有土樣的上剪切盒保持固定，通過驅動器軸承的伸縮使固定在下剪切盒上的鋼板與土樣之間產生往返的錯動，以達到往返剪切的效果。

圖2 剪切試驗裝置示意Fig.2 Schematic of the shearing test equipment

數據的采集采用東華測試DH5902N數據采集系統，與儀器連接的兩個位移百分表和拉壓力傳感器。分別測出剪切過程中的法向位移、剪切位移及剪切力的變化情況，設置采集頻率為10 Hz，較于常規直剪試驗能更精確的記錄剪切過程。

1.3 試驗設計

文中往返剪切均采用應變控制，為展現出完整的剪切過程，設計最大剪切位移可達10 mm，雙向達到最大剪切位移自動停止。試驗選擇進行快剪試驗，剪切速率12 r/min，一次單向剪切耗時4 min 10 s。考慮到實際工程中鋼護筒壁不可能絕對光滑，故試驗所用鋼板為Q235人工粗糙鋼板，取粗糙度R=0.5 mm(R為鋼板表面凹槽的峰谷距，如圖3)[7]。一般樁后回填覆蓋土層能達到15～20 m，其上覆蓋層的應力能達到350 kPa左右，因此試驗設計法向應力分為100，200，300，400 kPa四級，對應每個法向應力做3組平行試驗以降低試驗中的隨機誤差。定義一個往復剪切過程為1圈，包括前推和后拉兩次剪切，根據實際剪切結果，試樣在剪切循環25圈后各項性能指標均已趨于穩定，因此設計往返剪切循環圈數為25圈，共剪切50次。

圖3 人工粗糙鋼板形狀及粗糙度定義示意Fig.3 Shape of artificial rough steel plate and definition of roughness

2 數據分析

2.1 剪應力-位移曲線隨剪切圈數的變化分析

根據試驗所測數據，繪制剪應力-位移曲線，圖4為法向應力300 kPa條件下剪應力τ(kPa)關于剪切位移λ(mm)的λ-τ關系曲線隨剪切圈數的變化規律。

圖4 λ-τ關系曲線Fig.4 Relation curve between λ and τ

由圖4可知，不同剪切圈數下的λ-τ關系曲線發展趨勢基本一致。剪切過程可分為試驗前期剪應力隨剪切位移的增加而急劇增加的彈性階段、試驗中期剪應力增加速率變緩的塑性階段和最后剪應力值趨于穩定的破壞階段。圖4中可以看出，試樣在達到破壞階段后，由于鋼板粗糙度的影響，造成接觸面附近土體顆粒的破碎、翻滾、爬升等不規則運動，使其剪應力值在一個較小的范圍內波動。

為能更清楚地探討剪應力位移關系曲線隨剪切圈數的變化規律，取特定循環圈數(N=1(第一個循環),10,20,25)下的試驗數據作圖5，發現隨著剪切圈數的增加，剪應力位移關系曲線在彈性階段的斜率有所增大，即彈性階段剪應力隨剪切位移的增加而增大的速度越來越快。

圖5 λ-τ關系曲線隨剪切圈數的變化Fig.5 Relations between λ and τ changing with shear cycles

2.2 抗剪強度隨剪切圈數的變化分析

由表1可知，在同一剪切循環內，土體的極限剪應力在往返兩個方向上表現出明顯的異向性，且該規律隨著剪切圈數的增加一直存在。該異向性的形成主要是由于試樣經過第一次剪切后，結構面附近本隨機分布的土體顆粒在剪應力作用下發生滑移、轉動、破碎等變化，土體顆粒長軸沿著剪切方向分布，使得結構面附近的土體顆粒有了新的定向排列順序，最終表現為同一剪切循環內兩個方向上的極限剪應力的不同[9]。

表1 剪切圈數與極限剪應力的關系Table 1 Relations between shear cycles and the ultimate shear stress

同時，隨著往復剪切的進行，接觸面附近土體顆粒不斷地被剪碎，導致土體抗剪強度持續減小，但剪切到一定圈數后，接觸面附近土體顆粒不再破碎從而達到一個相對平衡狀態。圖5和表1中，可以從具體的數據中觀察到試樣的極限剪應力在前10圈有著明顯的減小現象，其減小的速度逐漸變緩最后在剪切循環20圈左右趨于穩定。為描述試樣抗剪強度隨往復剪切圈數的影響，圖6是根據試驗所得數據擬合得到的不同剪切圈數中的σ-τ關系曲線，其中σ為法向應力，τ為剪應力。

圖6 σ-τ關系曲線Fig.6 Relation curve between σ and τ

由圖6可知，各個剪切圈數下的σ-τ曲線均具有良好的線性擬合關系，且隨著往復剪切圈數的增加圖中曲線的位置越偏下最終趨于穩定。再次證明了圖5中得到的抗剪強度隨往復剪切圈數增加而降低并趨于穩定的結論。

通過引用摩爾-庫倫準則：τ=c+σtanφ，其中c為鋼-土界面的黏結力；σ為施加的法向應力；φ為鋼-土界面的內摩擦角。用圖解法確定擬合參數反算出各剪切圈數下對應土樣的c，φ值，具體見表2。

表2 剪切圈數與黏結力、摩擦角關系Table 2 Relations among shear cycles, cohesion and internal friction

(續表2)

剪切圈數N/圈黏結力c/kPa摩擦角φ/(°)剪切圈數N/圈黏結力c/kPa摩擦角φ/(°)424.6324.381525.2921.20525.4323.772022.9120.68626.7523.082523.3120.34726.4922.81

根據表2中所列數據，分別作圖7、圖8。從圖7中可知，隨著剪切圈數的增加，黏結力表現為先增加后減小最后趨于穩定。其變化過程具體可以分為3個階段：①剪切初期即前5個循環，在法向應力作用下土體顆粒不斷被壓密，黏結力急速增大，這一階段黏結力的變化，法向應力起主導作用；②隨著往復剪切的繼續，法向應力對黏結力的影響逐漸降低，剪應力過渡成為主要因素，在剪應力的往復作用下，接觸面附近的土體顆粒開始出現破碎、翻滾、爬升等運動，該階段黏結力表現為逐漸減小；③當往復剪切圈數到20圈左右，接觸面附近土體顆粒已達到了一個相對平衡的狀態，此時黏結力也趨于穩定。

圖7 黏結力c隨剪切圈數的變化Fig.7 Variation curves of cohesion changing with shear cycles

圖8 摩擦角φ隨剪切圈數的變化Fig.8 Variation curves of friction angle φ changing with cyclic shear

圖8中內摩擦角隨著往復剪切圈數的增加呈現出逐漸減小并趨于穩定的現象。內摩擦角的減小即反映了土體摩擦因數的減小。剪切初期，由于土體顆粒形狀不規則和鋼板表面存在一定的粗糙度，在法向應力及土體自重的影響下，土顆粒與鋼板之間及土體內部顆粒之間相互咬合較緊密，從而此階段的摩擦因數較大；隨著往復剪切的進行，接觸面附近土體顆粒在剪應力的作用下不斷地摩擦破碎，從較大顆粒變成細小顆粒，同時土體顆粒之間的摩擦，使土體顆粒變得更為圓滑，從而摩擦因數在此階段表現為不斷變小；當剪切循環到20圈左右時，接觸面附近土體顆粒達到一個相對平衡狀態，此時摩擦因數表現為一個較為穩定的值。

2.3 法向位移的剪切變化分析

筆者用u來表示法向位移且豎直向上為正方向。圖9表示法向應力在300 kPa條件下法向位移在剪切過程中的變化情況。由圖9可知，試樣的剪切體變表現為剪縮，且剪切體變量由不可逆性剪切體變和可逆性剪切體變兩部分組成。剪切初期，法向位移變化明顯，此階段法向位移的變化主要由法向應力的壓縮引起，以不可逆剪切體變為主。隨著往復剪切的進行，其剪切體變逐漸過渡到以可逆性剪切體變為主，此階段不可逆性剪切體變趨于穩定且不再有明顯的增加，而可逆性剪切體變會隨剪切方向的改變表現為有規律的變化。

圖9 300 kPa下法向位移隨剪切過程的變化Fig.9 The normal displacement changing with shear under 300 kPa

以往復剪切次數為橫坐標，各法向應力條件下的法向位移為縱坐標，作圖10。從圖10中可以看出，各法向應力條件下法向位移變化曲線形式基本相同，剪切體變表現為剪縮的特性，且法向應力對法向位移量有很大的影響。法向應力越大法向位移累積量越大且累積速率越快，主要是由于隨著法向應力的增加試樣被壓的更密實，產生的不可逆性剪切體變量隨即增加。但隨著法向應力的不斷提升，法向位移的增加量越來越小，預測法向應力達到一定值后，其法向位移量會趨于穩定不再變化。

重慶地區泥巖分布廣泛且常被用作港口碼頭回填用料。筆者針對在船舶荷載、系纜力、水流荷載等長期重復作用下的鋼護筒嵌巖樁樁側鋼-土接觸面問題，對鋼-土界面往復剪切特性進行了試驗研究，探索了剪應力位移關系曲線、極限剪應力、剪切體變及土體強度參數等在往復剪切條件下的變化規律。試驗的結果對探討深水碼頭大直徑鋼護筒嵌巖樁的長期承載機理具有一定的參考價值。由于試驗設備等條件的限制，試驗也存在著較多不足之處：試驗儀器由原有的應變式直剪儀改裝而成，對試樣的尺寸有極大的限制，尺寸效應比較明顯；實際工程中鋼-土界面間的剪切特性受多種因素的共同影響，探究多因素相互耦合對土體剪切特性的影響極具實踐意義；對于類似泥巖這種質地較軟的土料，如何定性和定量的衡量其在重復荷載下的顆粒破碎問題是個重要的課題。

圖10 不同法向應力下法向位移隨剪切次數的變化Fig.10 The normal displacement changing with shear cycles under different normal stress

3 結 論

1)破碎泥巖顆粒鋼-土界面剪應力位移關系表現為彈塑性，并沒有明顯的應變軟化現象發生。隨著往復剪切圈數的增加，剪應力位移關系曲線形式表現出一致性，但在彈性階段剪應力位移關系曲線的斜率有所增大。

2)同一剪切循環中，極限剪應力在前進和后退兩個方向上存在著異向性，且該異向性在剪切過程中一直存在；往復剪切圈數對破碎泥巖顆粒的極限剪應力也存在著一定的影響，隨著剪切圈數的增加，表現為先減小最后趨于穩定。

3)隨著往復剪切的進行，接觸面體應變表現為減縮，由可逆性和不可逆性兩部分體應變分量組成，其中不可逆性體應變分量占主導地位；由壓縮引起的不可逆性體應變分量隨著法向應力的增加有明顯的增加。

4)通過摩爾-庫倫準則，擬合不同往復剪切圈數下的黏結力c和內摩擦角φ，發現隨著往復剪切圈數的增加，黏結力表現為先增大后減小最后趨于穩定，而內摩擦角則逐漸減小并趨于穩定。

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Reciprocating Shear Characteristics of Contact Interface Between Broken Mudstone and Steel Casing

LIANG Yue1, 2, 3, LIU Zeyu1, 3, ZHANG Qiang1, 3, YUAN Ye1, 3

(1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China; 2. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China; 3. Key Laboratory of Ministry of Education for Hydraulic and Waterway Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

The change of shear characteristics of steel-soil contact interface with different cyclic shear cycles was studied by improving the indoor direct shear apparatus and controlling the graduation, dry density, moisture content and so on. The change of shear stress and normal displacement with different shear cycles was recorded respectively under normal stress from 100, 200, 300 kPa to 400 kPa. The relation curve between shear stress and displacement, the ultimate shearing stress and the rule of normal displacement changing with cyclic shear cycles were analyzed by the introduction Mohr-Coulomb failure criterion. It is discovered that: a) the relationship curve between shear stress and displacement is found to be stable after a sharp rise; b) both the ultimate shearing stress and the normal displacement have a gradual decrease trend with the increase of the number of cyclic shear cycles, and intend to be stable at a certain number of shear cycles; c) with the increase of the number of cyclic shear cycles, the cohesive force firstly increases, and then gradually decreases, and tends to be stable finally; and the internal friction angle tends to be stable after a gradual decrease.

geotechnical engineering; broken mudstone; contact interface between steel and soil; reciprocating shear; shear properties

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.04.13

2015-08-05；

2015-12-25

國家自然科學基金項目(51409029,51349007)；重慶市教委科學技術研究項目(KJ130412)；重慶市基礎與前沿研究計劃項目(estc2013jcyjA30006);河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室開放基金項目(GH201303)

梁 越(1985—)男，山東臨沂人，副教授，博士，主要從事大尺寸樁基承載性狀方面的研究。E-mail:liangyue2560@163.com。

TU432

A

1674-0696(2016)04-060-05