原狀黃土與結(jié)構(gòu)接觸特性直剪試驗(yàn)研究★

張 磊 劉 慧

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

原狀黃土與結(jié)構(gòu)接觸特性直剪試驗(yàn)研究★

張 磊 劉 慧

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

采用大型直剪儀對常、變法向應(yīng)力下原狀黃土與混凝土接觸面力學(xué)特性開展研究。結(jié)果表明：法向應(yīng)力及混凝土表面粗糙程度均對剪應(yīng)力—剪切位移曲線影響很大，接觸面抗剪強(qiáng)度符合摩爾—庫侖定律。

飽和軟黃土,接觸面,直剪試驗(yàn),剪應(yīng)力,剪切位移

0 引言

在巖土工程中，土與結(jié)構(gòu)相互作用問題經(jīng)常遇到，如土體與樁、土體與擋土結(jié)構(gòu)、土體與隧道側(cè)壁等的相互作用。由于土體與結(jié)構(gòu)物材料的物理力學(xué)性質(zhì)差異較大，在分析兩者相互作用時不能只考慮各自特性，需對接觸面上的剪切傳遞機(jī)理進(jìn)行研究[1]。盧廷浩等[2]利用改進(jìn)的直剪儀研究了不同含水量下黏土自身及與混凝土、石、磚之間的剪切力學(xué)特性。朱俊高等[3]針對黏土與混凝土接觸問題研究了單剪和環(huán)剪試驗(yàn)成果的差異，分析了直剪儀、單剪儀和環(huán)剪儀用于接觸面應(yīng)力變形及強(qiáng)度特性試驗(yàn)時的優(yōu)缺點(diǎn)。以上研究[1-3]均發(fā)現(xiàn)法向應(yīng)力對接觸面剪應(yīng)力—剪切位移曲線及抗剪強(qiáng)度有很大影響，但都把法向應(yīng)力取為常值。在樁基工程中，由于地面堆載、打樁法施工后樁周土固結(jié)沉降等原因，樁側(cè)表面法向應(yīng)力逐漸增大，目前變法向應(yīng)力下土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切力學(xué)特性研究還較為少見。梁鵬等[4]和曹衛(wèi)平等[5]分別針對松砂和密砂與混凝土接觸問題開展直剪試驗(yàn)研究，得到了變法向應(yīng)力下剪應(yīng)力與剪切位移曲線。

現(xiàn)有的土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗(yàn)研究大多針對黏土和砂土，目前關(guān)于原狀黃土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗(yàn)的研究還很少見。馮皎等[6]利用自制的大型單剪儀開展原狀黃土及重塑黃土與混凝土接觸面剪切試驗(yàn)研究，但把法向應(yīng)力取為常值。本文利用Shear Trac-Ⅲ型直剪儀對常、變法向應(yīng)力下原狀黃土與混凝土接觸面力學(xué)特性開展研究，以提高原狀黃土與混凝土接觸問題分析水平。

1 接觸面直剪試驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用美國Geocomp公司生產(chǎn)的Shear Trac-Ⅲ型直剪儀。下剪切盒長為40.5 cm、寬為30.5 cm、高為10.2 cm，上剪切盒長和寬均為30.5 cm、高為10.2 cm。下剪切盒比上剪切盒長，可保證試驗(yàn)過程中剪切面積保持不變。另外，上剪切盒面積約為普通直剪儀的31倍，可明顯減小文獻(xiàn)[3]所述的，由裝土剪切盒后側(cè)壁處土體擠壓及前側(cè)壁處土體松動等導(dǎo)致的接觸面應(yīng)力和應(yīng)變分布不均引起的誤差。直剪儀剪切盒示意圖參閱文獻(xiàn)[4]。該儀器可施加的最大法向力為45 kN，由電腦控制自動分級施加。剪應(yīng)力施加方式為應(yīng)變控制式。剪切速率由高精度電機(jī)控制，范圍為3×10-5～15 mm/min，最大剪切位移幅值為50 mm。剪切位移可通過高精度位移傳感器量測。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由機(jī)載軟件自動采集。

1.2試樣制備

試驗(yàn)土樣取自西安市碑林區(qū)某基坑，取土深度約為10.2 m，為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，褐黃色，具大孔及蟲孔，含少許鈣絲。土顆粒相對密度：2.72，天然密度：1.75 g/cm3，天然含水量：24.7%，液限：29.7%，塑限：17.7%，自重濕陷系數(shù)：0.026，由固結(jié)快剪試驗(yàn)得粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為35.2 kPa和24°，為飽和軟黃土。取土?xí)r用兩個特制的半圓筒形取土容器把土樣箍住，用螺栓上緊后小心帶回實(shí)驗(yàn)室，并用削土刀削成長和寬均為30.5 cm、高為8.0 cm的土樣。混凝土試塊長為40.5 cm、寬為30.5 cm、高為10.2 cm，強(qiáng)度等級為C30，共2塊，1塊經(jīng)人工拉毛后表面較粗糙(粗糙面)，1塊經(jīng)人工壓平后表面較光滑(光滑面)。

1.3試驗(yàn)方案及步驟

將混凝土塊放入下剪切盒，把削好的土樣套入上盒。剪切時上盒保持不動，下盒以0.2 mm/min的速率進(jìn)行剪切。在法向應(yīng)力施加及剪切過程中土體體積減小時，土樣里的水可通過上承壓板的排水孔排出。對原狀黃土—光滑面混凝土接觸面進(jìn)行了2組向應(yīng)力分別為50 kPa和300 kPa的常法向應(yīng)力剪切試驗(yàn)，及1組變法向應(yīng)力剪切試驗(yàn)，即法向應(yīng)力保持為200 kPa不變進(jìn)行剪切，待剪切位移達(dá)到20 mm時法向應(yīng)力增加到400 kPa并繼續(xù)剪切。對原狀黃土—粗糙面混凝土進(jìn)行了3組法向應(yīng)力分別為50 kPa，300 kPa和400 kPa的常法向應(yīng)力剪切試驗(yàn)，以及2組變法向應(yīng)力剪切試驗(yàn)，即法向應(yīng)力分別保持為100 kPa和200 kPa不變進(jìn)行剪切，待剪切位移達(dá)到20 mm時法向應(yīng)力分別增加到200 kPa和400 kPa并繼續(xù)剪切。最大剪切位移為40 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1常法向應(yīng)力剪切試驗(yàn)

圖1為不同常法向應(yīng)力下原狀黃土與混凝土接觸面剪應(yīng)力—剪切位移曲線，圖1中σn為法向應(yīng)力。由圖1可見，當(dāng)σn=50 kPa且混凝土表面較為粗糙時，剪應(yīng)力—剪切位移曲線為硬化型，即剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而增大，其變化速率在曲線的前段稍有減小，在曲線的中段迅速減小，在曲線的后段又稍有減小，最后剪應(yīng)力趨近于某穩(wěn)定值。當(dāng)σn=50 kPa且混凝土表面較為光滑時，剪應(yīng)力—剪切位移曲線為軟化型，即剪切位移從0 mm增至9.6 mm時剪應(yīng)力先逐漸增至最大值，而后剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而減小，其變化速率也逐漸減小，最后剪應(yīng)力趨近于某穩(wěn)定值，并與粗糙面對應(yīng)的曲線基本重合。當(dāng)σn>50 kPa時，剪應(yīng)力—剪切位移曲線呈三段式，即剪應(yīng)力隨剪切位移的增加而增大，在曲線的前段其變化速率隨剪切位移的增加而稍有減小，隨法向應(yīng)力的增加而增大；在曲線的中段其變化速率迅速減小；在曲線的后段其變化速率接近于某常數(shù)，但隨法向應(yīng)力的增加而增大。由圖1還可見，當(dāng)法向應(yīng)力較小時，相同剪切位移下接觸面粗糙程度對剪應(yīng)力值的大小影響較小；當(dāng)法向應(yīng)力較大時，相同剪切位移下光滑面對應(yīng)的剪應(yīng)力比粗糙面對應(yīng)的剪應(yīng)力大。

取每級法向應(yīng)力下剪切位移為20 mm對應(yīng)的剪應(yīng)力為接觸面抗剪強(qiáng)度τf[4]，圖2為原狀黃土—粗糙面混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的線性擬合結(jié)果。由圖2可見，抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力成良好的線性關(guān)系，即符合摩爾—庫侖定律。試驗(yàn)測得接觸面粘聚力約為22.3 kPa，內(nèi)摩擦角約為28.4°。

2.2變法向應(yīng)力剪切試驗(yàn)

圖3為常法向應(yīng)力下和變法向應(yīng)力下原狀黃土與混凝土接觸面剪應(yīng)力—剪切位移曲線對比，圖3中σn1和σn2分別為施加的第一級和第二級法向應(yīng)力。由圖3可見，變法向應(yīng)力時(剪切位移為20 mm處)剪應(yīng)力降低，這是由于第二級法向應(yīng)力施加時下剪切盒保持不動、剪切停止所致。第二級法向應(yīng)力施加后，剪應(yīng)力—剪切位移曲線的初始斜率比第一級法向應(yīng)力施加時的初始斜率大，接近于與第二級法向應(yīng)力相同的常法向應(yīng)力下剪應(yīng)力—剪切位移曲線的初始斜率。經(jīng)過20 mm的剪切位移，變法向應(yīng)力下剪應(yīng)力沒有穩(wěn)定，且在相同的剪切位移下，第二級法向應(yīng)力施加后的剪應(yīng)力比與第二級法向應(yīng)力相同的常法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力小。第二級法向應(yīng)力為400 kPa時，相同剪切位移下粗糙面和光滑面對應(yīng)的剪應(yīng)力相差不大。

3 結(jié)語

本文利用大型直剪儀對原狀黃土與混凝土接觸面開展了直剪試驗(yàn)研究。考慮混凝土表面粗糙程度的影響，分析了常、變法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力—剪切位移特征，并得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)在常法向應(yīng)力下，法向應(yīng)力為50 kPa時，粗糙面和光滑面混凝土對應(yīng)的剪應(yīng)力—剪切位移曲線分別為硬化型和軟化型。法向應(yīng)力大于50 kPa時，剪應(yīng)力—剪切位移曲線呈明顯的三段式。接觸面粗糙程度對相同剪切位移下剪應(yīng)力值大小的影響隨法向應(yīng)力的增加而增大。原狀黃土與粗糙面混凝土接觸面抗剪強(qiáng)度符合摩爾—庫侖定律。

2)第二級法向應(yīng)力施加后，剪應(yīng)力—剪切位移曲線的初始斜率接近于與第二級法向應(yīng)力相同的常法向應(yīng)力下剪應(yīng)力—剪切位移曲線的初始斜率。

[1] Fakharian Kazem, Evgin Erman. Elasto-plastic modeling of stress-path-dependent behavior of interfaces[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2000,24(2):183-199.

[2] 盧廷浩,王 偉,王曉妮.土與結(jié)構(gòu)接觸界面改進(jìn)直剪試驗(yàn)研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,22(1):82-85,99.

[3] 朱俊高,Shakir R R,楊有蓮,等.土—混凝土接觸面特性環(huán)剪單剪試驗(yàn)比較研究[J].巖土力學(xué),2011,32(3):692-696.

[4] 梁 鵬,曹衛(wèi)平,陸清元.常/變法向應(yīng)力下松砂—混凝土接觸面剪切力學(xué)性狀試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2014,44(8):61-65.

[5] 曹衛(wèi)平,陸清元,梁 鵬.常/變法向應(yīng)力作用下密砂—混凝土接觸面剪切力學(xué)性狀試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2015,45(1):82-86.

[6] 馮 皎,劉增榮,王 瑜.原狀黃土與混凝土接觸面特性的大型單剪試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2009,7(3):120-122.

Directsheartestoncontactcharacteristicsbetweenundisturbedloessandconcrete★

ZhangLeiLiuHui

(SchoolofCivilEngineering,Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’an710055,China)

Large-scale direct shear tests under constant and varying normal stresses were made. Test results show that the normal stress and the degree of roughness of the surface of concrete play important roles in the shear stress-shear displacement curves. The shear strengh of interface satisfies the Mohr-Coulomb criterion.

saturated soft loess, interface, direct shear test, shear stress, shear displacement

1009-6825(2017)32-0046-02

2017-09-01 ★：國家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號：51508455)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃(項(xiàng)目編號：16JK1444)；西安建筑科技大學(xué)青年科技基金(項(xiàng)目編號：QN1614)

張 磊(1981- )，男，博士，講師； 劉 慧(1994- )，男，在讀碩士

TU411.3

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