粗糙度對(duì)砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究

王 濤

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

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粗糙度對(duì)砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究

王 濤

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

樁的粗糙度對(duì)樁側(cè)阻力的發(fā)揮有重要影響。統(tǒng)計(jì)鉆孔灌注樁的孔壁粗糙程度，建立孔壁粗糙度與直剪試驗(yàn)所用混凝土板粗糙度I的關(guān)系；借助TJW-800大型直接剪切儀進(jìn)行砂土與不同粗糙度混凝土板的直剪試驗(yàn)，并對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：存在臨界粗糙度Icr，IIcr時(shí)，接觸面峰值強(qiáng)度隨著粗糙度的增大而減小；粗糙度對(duì)接觸面剪切應(yīng)力-切向位移曲線的形態(tài)有影響。

接觸面 粗糙度 直剪試驗(yàn) 力學(xué)特性

樁作為承載結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上為樁與土體的相互作用。從樁的承載機(jī)理來(lái)看，樁土相對(duì)位移是樁側(cè)阻力發(fā)揮的必要條件，而影響因素之一為樁表面的粗糙度。樁土接觸面在不同的粗糙度下表現(xiàn)出明顯不同的力學(xué)特性。因此，研究粗糙度對(duì)樁-土接觸面力學(xué)特性的影響有重大意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一些粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性影響的試驗(yàn)，并對(duì)接觸面粗糙度進(jìn)行了定義，大致分為四類：第一類以粗糙幾何形狀參數(shù)定義粗糙度[1]；第二類采用分形幾何學(xué)描述粗糙度[2]；第三類通過(guò)引入D50參數(shù)以相對(duì)粗糙度的概念定量描述粗糙程度，考慮了顆粒粒徑對(duì)相同粗糙幾何形狀下土-結(jié)構(gòu)物接觸面力學(xué)特性的影響[3]；第四類是通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)以概率的概念對(duì)粗糙度進(jìn)行定義[4]。

已有文獻(xiàn)中試驗(yàn)粗糙度很小(大多為毫米級(jí))[1-4]，無(wú)法與工程實(shí)際中鉆孔灌注樁樁側(cè)表面粗糙度相結(jié)合。同時(shí)，鉆孔灌注樁孔壁粗糙度受地質(zhì)、成孔工藝的影響，且難以檢測(cè)，故鮮有根據(jù)鉆孔灌注樁孔壁粗糙程度定義直剪試驗(yàn)粗糙度的文獻(xiàn)。統(tǒng)計(jì)已有鉆孔灌注樁孔徑檢測(cè)曲線，獲得了孔壁粗糙情況，定義了符合工程實(shí)際的粗糙度。通過(guò)大型直接剪切儀進(jìn)行不同粗糙度下砂土-混凝土板直剪試驗(yàn)，初步研究了粗糙度對(duì)砂土-混凝土接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 接觸面試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

利用TJW-800大型直接剪切系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，見(jiàn)圖1。該系統(tǒng)可進(jìn)行較大尺寸的土與土的直剪試驗(yàn)、土與結(jié)構(gòu)物接觸面的直剪試驗(yàn)。

圖1 TJW-800大型直接剪切系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)參數(shù)確定

(1)土性參數(shù)

試驗(yàn)用土為湘江河砂。該砂最大孔隙比emax=0.73，最小孔隙比emin=0.43，比重Gs=2.55。天然狀態(tài)下砂土達(dá)不到最大或者最小孔隙比，為確保砂土密實(shí)度具有代表性，本次試驗(yàn)初始孔隙比e0為0.51、0.59。

(2)加載參數(shù)

實(shí)際工程中，大部分樁長(zhǎng)為30～70 m。為模擬實(shí)際樁側(cè)土壓力，本次試驗(yàn)法向應(yīng)力為50 kPa、150 kPa、250 kPa和350 kPa，按位移控制進(jìn)行加載，當(dāng)切向位移達(dá)到50 mm時(shí)試驗(yàn)終止，剪切速率為1 mm/min。

(3)粗糙度

通過(guò)孔徑檢測(cè)系統(tǒng)[5-10]可以獲得孔壁沿樁深度變化曲線，孔徑檢測(cè)曲線表明了鉆孔灌注樁的實(shí)際粗糙情況。基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)樁側(cè)孔壁粗糙度確定的試驗(yàn)粗糙度更符合工程實(shí)際，能更好地模擬室內(nèi)結(jié)構(gòu)物接觸面粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律。本試驗(yàn)以上海地區(qū)鉆孔灌注樁孔徑檢測(cè)曲線[6]為基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2 上海地區(qū)某處孔徑檢測(cè)曲線及數(shù)據(jù)采集結(jié)果

采集圖2(a)的數(shù)據(jù)后繪制圖2(b)，采點(diǎn)時(shí)，將孔徑曲線n等分，以每段中點(diǎn)值作為代表值。對(duì)比兩圖可知，采集的數(shù)據(jù)能夠反映實(shí)際結(jié)果。

常用的粗糙度測(cè)定方法有灌砂法、觸針?lè)ā⒐璺鄱崖浞ê头中畏志S法。灌砂法是最原始、簡(jiǎn)單、實(shí)用的方法；觸針?lè)ㄒ杂|針測(cè)出粗糙度表面的凹凸曲線，由此測(cè)量粗糙度，原理與灌砂法類似；硅粉堆落法僅定性判定粗糙程度；分形分維法在巖石節(jié)理粗糙度測(cè)量中較為常用。鑒于此，本文采用灌砂法。

圖3 混凝土樁展開(kāi)后示意

根據(jù)灌砂平均高度的定義，粗糙度為

式中，V為立方體體積。根據(jù)圖3(a)，灌砂表面積為

將式(2)～式(6)代入式(1)可得

式中，rmax為最大樁徑。由式(7)可計(jì)算得到孔徑沿深度變化曲線所對(duì)應(yīng)的粗糙度I，并得到粗糙度I分布頻率直方圖，如圖4所示。

圖4 粗糙度I統(tǒng)計(jì)

分析圖4可知，粗糙度I在0～40 mm范圍內(nèi)的分布頻率為73.5%，大于50 mm范圍內(nèi)的分布頻率僅為6.1%。故本次試驗(yàn)粗糙度取出現(xiàn)頻率較高的I=10 mm、20 mm、30 mm。

試驗(yàn)過(guò)程中砂土剪切會(huì)破壞混凝土板上端，鋸齒狀粗糙形式底部會(huì)限制底部砂土滾動(dòng)，故本文選用如圖5所示梯形凹槽形式。

圖5 試驗(yàn)所用混凝土板設(shè)計(jì)

混凝土板長(zhǎng)

混凝土板灌砂體積

由式(1)、式(8)和式(9)可得到混凝土板粗糙度

式中，h為梯形凹槽高度，dc為混凝土板寬度。由式(10)及試驗(yàn)粗糙度取值，混凝土板取梯形凹槽高度h=20 mm、40 mm、60 mm，以及無(wú)凹槽(光滑)形式板。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 剪切應(yīng)力-切向位移曲線

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到砂土-混凝土接觸面的剪切應(yīng)力-切向位移(τ-u)關(guān)系曲線，如圖6所示。

分析圖6可知：

(1)在同初始孔隙比和法向應(yīng)力條件下，接觸面剪切應(yīng)力τ呈現(xiàn)τI=1 cm>τI=2 cm>τI=3 cm>τI=0 cm規(guī)律。

(2)在同初始孔隙比和法向應(yīng)力條件下，接觸面的τ-u曲線具有硬化型和軟化型兩種形態(tài)，表明粗糙度對(duì)τ-u曲線的形態(tài)有影響。

2.2 接觸面峰值強(qiáng)度

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以獲得同法向應(yīng)力和初始孔隙比條件下接觸面的剪切峰值強(qiáng)度與混凝土板粗糙度的關(guān)系，如圖7所示。

分析圖7可知，接觸面的峰值強(qiáng)度隨粗糙度的變化規(guī)律如下：先隨粗糙度增加(0 cm→1 cm)而增大，后隨粗糙度增加(1 cm→2 cm→3 cm)而減小，可認(rèn)為存在一個(gè)臨界粗糙度Icr，當(dāng)接觸面粗糙度I小于臨界粗糙度Icr時(shí)，接觸面的峰值強(qiáng)度隨著粗糙度的增大而增大；當(dāng)接觸面粗糙度I大于臨界粗糙度Icr時(shí)，接觸面的峰值強(qiáng)度隨著粗糙度的增大而減小。本試驗(yàn)砂土-混凝土板接觸面的臨界粗糙度Icr=1 cm。

3 結(jié)論

在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)鉆孔灌注樁的孔壁粗糙度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并得到孔壁粗糙度與直剪試驗(yàn)所用混凝土板粗糙度I的關(guān)系，選取了適用于直剪試驗(yàn)的合理粗糙度值。利用TJW-800大型直剪儀系統(tǒng)地進(jìn)行砂土-混凝土板直剪試驗(yàn)，得到不同粗糙度、法向應(yīng)力和初始孔隙比下的接觸面剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線及峰值強(qiáng)度，最終得到以下結(jié)論：

(2)存在臨界粗糙度Icr，當(dāng)粗糙度I小于臨界粗糙度Icr時(shí)，接觸面峰值強(qiáng)度隨著粗糙度的增大而增大；當(dāng)粗糙度I大于臨界粗糙度Icr時(shí)，接觸面峰值強(qiáng)度隨著粗糙度的增大而減小。

圖6 不同粗糙度條件下混凝土板-砂土接觸面剪切應(yīng)力-切向位移關(guān)系曲線

圖7 混凝土板-砂土接觸面峰值強(qiáng)度與粗糙度的關(guān)系

(3)粗糙度對(duì)接觸面力學(xué)特性有影響，不同粗糙度條件下，τ-u曲線的形態(tài)不同。

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Experimental Study of Roughness on Mechanical Properties of Sand-Concrete Interface

WANG Tao

2016-08-08

王 濤(1991—)，男，2015年畢業(yè)于中南大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0046-04

TU473.1

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