管幕凍結(jié)法鋼管-凍土接觸面剪切試驗研究

何 爽，胡向東

(同濟大學(xué)隧道與地下建筑工程系， 上海 200092)

0 引言

在港珠澳大橋拱北隧道建設(shè)過程中，胡向東等[1]創(chuàng)新地提出管幕凍結(jié)法： 結(jié)合工程實際情況，在管幕鋼管內(nèi)部布置“圓形主力凍結(jié)管”、“異形加強凍結(jié)管”和“升溫鹽水限位管”3種特殊管路構(gòu)成的凍結(jié)方案。此工法除具有傳統(tǒng)人工地層凍結(jié)法良好的封水效果以及環(huán)保性外，通過沿隧道斷面鋼管間隔布置形成的鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)止水帷幕也具有較大的強度。

汪洋[2]對鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)的強度與剪切面特性進行了初步研究，并得出復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時的極限位移、荷載以及各溫度下復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸面剪切強度包絡(luò)線，進而得到判斷實際模型數(shù)值計算中鋼管與凍土是否發(fā)生滑移的依據(jù)； 張偉超[3]對汪洋[2]的試驗進行了改進，對三管鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)的強度選取了工程中不同含水量和含鹽量的土進行了試驗研究； 胡向東等[4]在汪洋[2]的基礎(chǔ)上，采用凍土單軸壓縮試驗機，對4種不同凍土溫度進行鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)模型試驗,并提出封水條件下的極限狀態(tài)判據(jù)； 李蘭勤[5]基于ANSYS數(shù)值軟件，分析得出鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)最先可能出現(xiàn)的破壞模式是由于接觸面上鋼管與凍土黏聚力不足而發(fā)生剪切破壞。

在接觸面剪切特性研究方面，文獻[6-10]指出現(xiàn)有的研究成果缺乏對接觸面慢速剪切特性的研究，改進了研究凍土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗的儀器，并進行了相關(guān)試驗； 石泉彬等[11]應(yīng)用壓樁法原理開展多影響因素條件下接觸面凍結(jié)強度測定試驗； 何鵬飛等[12]開展了試驗溫度、含水率、法向壓力變化情況下凍結(jié)黃土-混凝土界面直剪試驗，結(jié)合摩爾-庫侖強度理論對凍土-混凝土界面凍結(jié)強度形成機制進行了解釋； 孫兆輝等[13]進行了不同鹽類型、含鹽量、含水率條件下鹽漬土-混凝土襯砌凍結(jié)接觸面直剪試驗研究； 陳拓等[14]和陳良致等[15]以寒區(qū)土與不同粗糙度的鋼板結(jié)構(gòu)接觸面為研究對象，進行不同含水率、不同溫度及不同法向壓力下的直剪試驗研究。

綜上所述，目前國內(nèi)外在凍土-混凝土接觸面剪切試驗方面已經(jīng)有了較多研究，但對于凍土-鋼管接觸面剪切試驗，特別是粗糙度和溫度方面的研究甚少。基于此，本文從實際工程中提煉出簡化模型，對于管幕凍結(jié)法中鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)的剪切強度進行多維度試驗研究，探究不同溫度、粗糙度情況下接觸面剪切強度的變化規(guī)律，給出最優(yōu)接觸面剪切強度的溫度及粗糙度取值區(qū)間，并得出對于實際工程具有一定指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1 試驗設(shè)計

1.1 問題提出

在工程實際中，管幕凍結(jié)法的開挖邊界為暴露鋼管的一部分，而管幕外凍土帷幕發(fā)展后橫截面邊緣接近直線，因此，可以選擇1根鋼管及其鄰近凍土作為1個試驗單元，取出其中1個試驗單元進行受力分析。其受力情況如圖1所示。

鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)的破壞形式有以下3種： 鋼管強度破壞、凍土強度破壞和鋼管-凍土剪切面破壞。經(jīng)試驗研究，凍土在溫度控制良好的情況下不會發(fā)生強度破壞，鋼管本身強度較大，而鋼管-凍土的剪切面極為薄弱。其破壞機制如下： 假定凍土與鋼管接觸面破壞為脆性破壞，在這種破壞條件下，凍土與鋼管接觸面上點的應(yīng)力可分解為徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力τθ，凍土與鋼管由凍土的凍結(jié)力粘合在一起，但若受力時切向應(yīng)力超過凍結(jié)強度，凍土與鋼管之間便會發(fā)生滑移，這時復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

本文通過設(shè)計不同角度的剪切試樣獲取鋼管-凍土接觸面在不同法向應(yīng)力條件下的極限剪應(yīng)力的大小，利用試驗數(shù)據(jù)繪制τ-σ曲線，進而得到接觸面上剪切強度包絡(luò)線，并通過包絡(luò)線回歸出數(shù)值解析式，利用此解析式可作為判斷復(fù)合結(jié)構(gòu)在施加不同荷載情況下接觸面是否會發(fā)生剪切破壞的依據(jù)。

1.2 試驗參數(shù)設(shè)計

由于鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)是各向異性材料，因此不能應(yīng)用傳統(tǒng)材料力學(xué)理論進行剪切破壞面的分析。在鋼管-凍土接觸面上，各點的徑向應(yīng)力σr與切向應(yīng)力τθ大小未知，因此，必須通過選取不同角度下接觸面上的點進行復(fù)合剪切試驗，來探究接觸面上的哪個點會發(fā)生滑動或者剪切破壞。試驗得出徑向應(yīng)力σr與切向應(yīng)力τθ后，再根據(jù)摩爾-庫侖定律，得到τ-σ曲線關(guān)系，然后根據(jù)曲線關(guān)系判斷鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸面是否發(fā)生破壞。本試驗選取30°、40°、45°、50°、60°這5個角度進行研究分析，剪切角度示意圖如圖2所示。

本試驗中關(guān)鍵影響因素之一為鋼管與凍土接觸面處鋼管的粗糙程度。張嘎等[16]提出采用人工粗糙鋼板作為理想結(jié)構(gòu)面與粗粒土共同構(gòu)成理想接觸面。人工粗糙度鋼板具有如圖3所示的標準表面齒型形狀,僅通過調(diào)整鋼板表面齒型的峰谷距來改變鋼板的表面粗糙程度，并定義表面齒型的峰谷距為結(jié)構(gòu)面的粗糙度R。本試驗亦采用此理想化模型進行分析，通過定義面齒型的峰谷距為結(jié)構(gòu)面的粗糙度R來考慮鋼管-凍土接觸面的粗糙度對剪切試驗結(jié)果的影響。為保證精度，本試驗選擇R=0.0、0.3、0.5 mm 3種不同的粗糙度。

圖2 剪切角度示意圖

圖3 粗糙度理想化模型

不同溫度下接觸面上凍土與鋼管的凍結(jié)強度會發(fā)生改變，因此τ-σ曲線也會發(fā)生改變。本試驗設(shè)計5種溫度，分別為-5、-10、-15、-20、-25 ℃，實際工程中凍土帷幕的平均溫度往往均包含在此溫度范圍內(nèi)。

綜上所述，鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗的參數(shù)選取如表1所示。

表1 接觸面剪切試驗參數(shù)選取

1.3 試驗試樣及設(shè)備

本試驗最終結(jié)果呈現(xiàn)為τ-σ曲線，復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸面剪切試驗需考慮30°、40°、45°、50°、60° 5個剪切角度，以及R=0.0、0.3、0.5 mm 3種粗糙度。因此，需制作15種特殊鋼柱，其一側(cè)表面要被切割成與法向面夾角呈30°、40°、45°、50°、60°。圖4為粗糙度R=0.5 mm、剪切斜面為30°的部分試件實物圖。

試樣制作后養(yǎng)護在低溫試驗箱中，試驗箱溫度為室溫～-40 ℃。模型試驗在凍土實驗室WDT-100微機控制凍土單軸壓縮試驗機上進行，該試驗機與普通單軸壓縮試驗機最大的不同是能提供一個密閉的、與試樣溫度一樣的環(huán)境進行試驗，試驗裝置最大加載能力100 kN，精度1%。試驗按應(yīng)變速率控制加載方式進行，應(yīng)變速率取為1%，加載和數(shù)據(jù)全由計算機根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)自動控制和采集，采集間隔為0.1 s。

試驗機及其計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的界面如圖5所示。

圖4 粗糙度R=0.5 mm、剪切斜面為30°的實心鋼柱

Fig.4 Solid steel column with roughness of 0.5 mm and cutting inclindation of 30°

(a) 低溫試驗箱

(b) WDT-100凍土單軸壓縮試驗機

(c) DataTaker測溫儀

2 試驗結(jié)果及分析

本試驗主要研究以下2個問題： 1)通過試驗獲取不同溫度下的τ-σ曲線，探究溫度對鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸面剪切強度包絡(luò)線的影響； 2)通過試驗獲取不同粗糙度下的τ-σ曲線，探究鋼管-凍土接觸面粗糙度對剪切強度包絡(luò)線的影響。

2.1 不同溫度條件下接觸面剪切強度特性研究(R=0.0 mm)

2.1.1 荷載-時間曲線

各溫度下加載過程荷載-時間曲線如圖6所示。

(a) 溫度為-5 ℃

(b) 溫度為-10 ℃

(c) 溫度為-15 ℃

(d) 溫度為-20 ℃

(e) 溫度為-25 ℃

結(jié)合試樣加載過程曲線和試驗過程的試驗現(xiàn)象，-5 ℃下30°、40°、45°、50°的破壞情況均為脆性破壞，但是當剪切面角度為60°時，試件破壞過程為土體先有小量滑移再橫向膨脹，繼而出現(xiàn)單軸壓縮破壞現(xiàn)象。破壞模式并不是純粹的沿接觸面剪切破壞，會有2個峰值的出現(xiàn)。第1個峰值是土樣在接觸面上滑移，由于角度較大，坡度很緩，整體未能完全滑落而出現(xiàn)常規(guī)脆性破壞，且-5 ℃下土樣塑性較強，變形能力也較強； 因此，可依附在接觸面上而不出現(xiàn)突然破壞滑落現(xiàn)象。第2個峰值是單軸壓縮破壞產(chǎn)生的最大值。-10、-15、-20、-25 ℃溫度較低，土體脆性以及強度均增大，故各剪切角度的凍土接觸面破壞均為脆性破壞。

2.1.2 各溫度下剪切強度包絡(luò)線

各溫度下τ-σ曲線對比見圖7，黏聚力-溫度變化曲線見圖8。

圖7 各溫度下τ-σ曲線對比

圖8 黏聚力-溫度變化曲線

由圖7可知，不同溫度下τ-σ包絡(luò)線斜率基本相同，表明溫度對接觸面內(nèi)摩擦角影響不大。由圖8可知，在-15 ℃之前，黏聚力近似呈線性增長，在-15 ℃達到峰值，在-20 ℃達到波谷，繼而又隨溫度的降低而增加，表明在-15～-20 ℃溫度區(qū)間內(nèi)凍土的性質(zhì)有所改變，從而導(dǎo)致黏聚力的變化，其微觀機制有待進一步試驗研究。

2.1.3 試驗結(jié)論

本節(jié)針對5個接觸面角度的試樣進行試驗，并在不同的溫度下重復(fù)試驗，得到以下結(jié)論。

1)在一定的正應(yīng)力條件范圍內(nèi)，每個溫度下鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切強度包絡(luò)線近似為一條直線，可用線性關(guān)系式擬合τ與σ的關(guān)系，且擬合出的關(guān)系式可作為該溫度下構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的2種材料在受荷載時是否發(fā)生滑移的判斷標準；

2)對每種溫度下鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切強度包絡(luò)線進行線性擬合后發(fā)現(xiàn)，不同溫度下每條包絡(luò)線基本平行，即斜率基本相同，說明溫度對復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸面上2種材料間的摩擦角影響很小；

3)剪切強度與溫度不呈完全負相關(guān)，包絡(luò)線對比(見圖7)顯示，剪切強度由高到低分別為-15、-25、-10、-20、-5 ℃，說明剪切強度受到凍土塑形以及冰土之間相互作用力的雙重影響。

2.2 不同粗糙度條件下接觸面剪切強度性質(zhì)研究

本節(jié)選取R=0.0、0.3、0.5 3種粗糙度的鋼柱在-25 ℃溫度條件下進行試驗，探究一定溫度條件下接觸面剪切強度隨粗糙度變化的規(guī)律。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當粗糙度R≥0.3 mm、剪切角度大于50°時，試樣破壞形式與單軸壓縮破壞形式相似，已經(jīng)不符合脆性破壞假定。因此，當繪制剪切強度包絡(luò)線時，需要剔除大角度的情況。

2.2.1 荷載-時間曲線

不同粗糙度下加載過程荷載-時間曲線如圖9所示。

(a)R=0.0 mm

(b)R=0.3 mm

(c)R=0.5 mm

圖9不同粗糙度下加載過程荷載-時間曲線(t=-25℃)

Fig. 9 Load-time curves of loading process at various roughnesses when temperature is -25 ℃

2.2.2 試驗分析及結(jié)論

結(jié)合圖9和試驗過程中鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)實際破壞形態(tài)，可知鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)破壞分為以下3類： 無屈服直接脆性破壞,如圖10(a)所示； 有屈服滑移破壞，如圖10(b)所示； 有屈服軸壓破壞，如圖10(c)所示。當鋼管表面粗糙度R=0.0 mm時，鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)均發(fā)生第1種破壞。當粗糙度R=0.3、0.5 mm時，在小角度(30°)情況下，會出現(xiàn)第1種破壞情況； 角度較大(40°、45°、50°)時，便有屈服臺階出現(xiàn)，結(jié)合試驗現(xiàn)象，此時依舊是沿接觸面上的剪切破壞，且試樣未出現(xiàn)較大變形； 當剪切角度為60°時，屈服平臺較長，通過觀察試驗過程中試樣的變形狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)此時試樣已經(jīng)有明顯的橫向膨脹，并出現(xiàn)單軸壓縮破壞跡象，整體均具有較大的變形。因此，剪切面角度為60°時不能作為剪切試驗數(shù)據(jù)的依據(jù)，需要將其剔除，選取脆性破壞的數(shù)據(jù)點作為有效數(shù)據(jù)繪制摩爾-庫侖強度曲線，如圖11所示。

(a) 無屈服直接脆性破壞

(b) 有屈服滑移破壞

(c) 有屈服軸壓破壞

圖10鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)破壞示意圖

Fig. 10 Failure diagrams of steel pipe-frozen soil composite structure

對不同粗糙度的包絡(luò)線進行分析比較，可得出以下結(jié)論。

1)每個粗糙度下鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)剪切強度包絡(luò)線都近似為一條直線，可用線性關(guān)系式擬合τ與σ的關(guān)系，且可作為該粗糙度下構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)的2種材料在受荷載時是否發(fā)生滑移的判斷標準。

圖11 各粗糙度下τ-σ曲線(t=-25 ℃)

Fig.11τ-σcurves at various roughnesses when temperature is -25 ℃

2)光滑接觸面(R=0.0 mm)，其剪切強度低于同條件下粗糙度較大的R=0.3 mm和R=0.5 mm的接觸面的剪切強度，但同等條件下R=0.5 mm的抗剪強度小于R=0.3 mm的抗剪強度，說明粗糙度并不是越大越有利。從細觀角度分析其原因，施加正應(yīng)力，粗糙度過大對于接觸面處的凍土體結(jié)構(gòu)(如冰顆粒和土顆粒間隙等)造成的內(nèi)部損傷較大，導(dǎo)致其剪切強度較R=0.3 mm時小。

3 結(jié)論與建議

本文通過鋼管-凍土接觸面剪切試驗，得到不同溫度和粗糙度條件下剪切強度包絡(luò)線，給出剪切強度包絡(luò)線擬合公式，具體結(jié)論如下。

1)不同溫度條件下包絡(luò)線斜率大致相同，說明溫度對復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸面上2種材料間的摩擦角影響很小； 而黏聚力與溫度不呈負相關(guān)關(guān)系，因為黏聚力是受凍土強度和凍土塑性2方面的影響，在這2方面綜合影響下，試驗溫度范圍內(nèi)，-15 ℃下的剪切強度最大。

2)不同粗糙度條件下包絡(luò)線斜率不同，說明摩擦角與粗糙度之間的關(guān)系不能定量確定，但是由試驗曲線對比可以看出，在一定粗糙度范圍內(nèi)，粗糙度越大，包絡(luò)線包絡(luò)范圍越廣，剪切強度越大； 但是當粗糙度達到一定程度之后，剪切強度不再提高。粗糙度具體范圍有待后續(xù)試驗確定。

本試驗初步研究了溫度、粗糙度對鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)接觸面強度的影響，選定試驗參數(shù)范圍較大，后續(xù)試驗可做以下改進。

1)經(jīng)過多組試驗發(fā)現(xiàn)，試驗中的剪切角度設(shè)計不夠理想，當設(shè)計角度為大角度時，承受的試驗荷載會有較大幅度的增大，導(dǎo)致剪切強度包絡(luò)線的擬合效果不好； 且粗糙度較大，試驗破壞結(jié)果不再是脆性破壞，有悖于設(shè)計初衷。所以，今后可在小角度范圍內(nèi)加密，不必拘泥于角度的等間距排列。

2)港珠澳大橋拱北隧道地處沿海地區(qū)，土中含鹽量較高，而文中試驗只針對最基本的不含鹽情況，因此，接下來的試驗可增加含鹽量這一試驗參數(shù)，針對不同含鹽量重復(fù)模型試驗與接觸面剪切試驗，考察凍土含鹽對鋼管-凍土復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。

3)粗糙度只選取了3種情況，而根據(jù)試驗現(xiàn)象推測，當粗糙度大于一定程度時，規(guī)律性不夠明顯，接觸面處土樣顆粒結(jié)構(gòu)可能在荷載作用下被較大粗糙度的鋸齒“磨損”； 因此，建議可在原有粗糙度條件下加大接觸面粗糙度，進一步研究粗糙度的影響規(guī)律。