管幕凍結法鋼管-凍土接觸面剪切試驗研究

何 爽，胡向東

(同濟大學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過程中，胡向東等[1]創新地提出管幕凍結法： 結合工程實際情況，在管幕鋼管內部布置“圓形主力凍結管”、“異形加強凍結管”和“升溫鹽水限位管”3種特殊管路構成的凍結方案。此工法除具有傳統人工地層凍結法良好的封水效果以及環保性外，通過沿隧道斷面鋼管間隔布置形成的鋼管-凍土復合結構止水帷幕也具有較大的強度。

汪洋[2]對鋼管-凍土復合結構的強度與剪切面特性進行了初步研究，并得出復合結構發生破壞時的極限位移、荷載以及各溫度下復合結構接觸面剪切強度包絡線，進而得到判斷實際模型數值計算中鋼管與凍土是否發生滑移的依據； 張偉超[3]對汪洋[2]的試驗進行了改進，對三管鋼管-凍土復合結構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-凍土復合結構模型試驗,并提出封水條件下的極限狀態判據； 李蘭勤[5]基于ANSYS數值軟件，分析得出鋼管-凍土復合結構最先可能出現的破壞模式是由于接觸面上鋼管與凍土黏聚力不足而發生剪切破壞。

在接觸面剪切特性研究方面，文獻[6-10]指出現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-結構接觸面剪切試驗的儀器，并進行了相關試驗； 石泉彬等[11]應用壓樁法原理開展多影響因素條件下接觸面凍結強度測定試驗； 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黃土-混凝土界面直剪試驗，結合摩爾-庫侖強度理論對凍土-混凝土界面凍結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-混凝土襯砌凍結接觸面直剪試驗研究； 陳拓等[14]和陳良致等[15]以寒區土與不同粗糙度的鋼板結構接觸面為研究對象，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，目前國內外在凍土-混凝土接觸面剪切試驗方面已經有了較多研究，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，對于管幕凍結法中鋼管-凍土復合結構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律，給出最優接觸面剪切強度的溫度及粗糙度取值區間，并得出對于實際工程具有一定指導意義的結論。

1 試驗設計

1.1 問題提出

在工程實際中，管幕凍結法的開挖邊界為暴露鋼管的一部分，而管幕外凍土帷幕發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-凍土復合結構的破壞形式有以下3種： 鋼管強度破壞、凍土強度破壞和鋼管-凍土剪切面破壞。經試驗研究，凍土在溫度控制良好的情況下不會發生強度破壞，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力可分解為徑向應力σr和切向應力τθ，凍土與鋼管由凍土的凍結力粘合在一起，但若受力時切向應力超過凍結強度，凍土與鋼管之間便會發生滑移，這時復合結構發生破壞。

本文通過設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力條件下的極限剪應力的大小，利用試驗數據繪制τ-σ曲線，進而得到接觸面上剪切強度包絡線，并通過包絡線回歸出數值解析式，利用此解析式可作為判斷復合結構在施加不同荷載情況下接觸面是否會發生剪切破壞的依據。

1.2 試驗參數設計

由于鋼管-凍土復合結構是各向異性材料，因此不能應用傳統材料力學理論進行剪切破壞面的分析。在鋼管-凍土接觸面上，各點的徑向應力σr與切向應力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合剪切試驗，來探究接觸面上的哪個點會發生滑動或者剪切破壞。試驗得出徑向應力σr與切向應力τθ后，再根據摩爾-庫侖定律，得到τ-σ曲線關系，然后根據曲線關系判斷鋼管-凍土復合結構接觸面是否發生破壞。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構面與粗粒土共同構成理想接觸面。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構面的粗糙度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構面的粗糙度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強度會發生改變，因此τ-σ曲線也會發生改變。本試驗設計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。

綜上所述，鋼管-凍土復合結構接觸面剪切試驗的參數選取如表1所示。

表1 接觸面剪切試驗參數選取

1.3 試驗試樣及設備

本試驗最終結果呈現為τ-σ曲線，復合結構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境進行試驗，試驗裝置最大加載能力100 kN，精度1%。試驗按應變速率控制加載方式進行，應變速率取為1%，加載和數據全由計算機根據設定好的參數自動控制和采集，采集間隔為0.1 s。

試驗機及其計算機數據采集系統的界面如圖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-凍土復合結構接觸面剪切強度包絡線的影響； 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 ℃

結合試樣加載過程曲線和試驗過程的試驗現象，-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，繼而出現單軸壓縮破壞現象。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。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常規脆性破壞，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突然破壞滑落現象。第2個峰值是單軸壓縮破壞產生的最大值。-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包絡線斜率基本相同，表明溫度對接觸面內摩擦角影響不大。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 ℃溫度區間內凍土的性質有所改變，從而導致黏聚力的變化，其微觀機制有待進一步試驗研究。

2.1.3 試驗結論

本節針對5個接觸面角度的試樣進行試驗，并在不同的溫度下重復試驗，得到以下結論。

1)在一定的正應力條件范圍內，每個溫度下鋼管-凍土復合結構剪切強度包絡線近似為一條直線，可用線性關系式擬合τ與σ的關系，且擬合出的關系式可作為該溫度下構成復合結構的2種材料在受荷載時是否發生滑移的判斷標準；

2)對每種溫度下鋼管-凍土復合結構剪切強度包絡線進行線性擬合后發現，不同溫度下每條包絡線基本平行，即斜率基本相同，說明溫度對復合結構接觸面上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，包絡線對比(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研究

本節選取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律。在試驗過程中發現，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，已經不符合脆性破壞假定。因此，當繪制剪切強度包絡線時，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 試驗分析及結論

結合圖9和試驗過程中鋼管-凍土復合結構實際破壞形態，可知鋼管-凍土復合結構破壞分為以下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-凍土復合結構均發生第1種破壞。當粗糙度R=0.3、0.5 mm時，在小角度(30°)情況下，會出現第1種破壞情況； 角度較大(40°、45°、50°)時，便有屈服臺階出現，結合試驗現象，此時依舊是沿接觸面上的剪切破壞，且試樣未出現較大變形； 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，發現此時試樣已經有明顯的橫向膨脹，并出現單軸壓縮破壞跡象，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據的依據，需要將其剔除，選取脆性破壞的數據點作為有效數據繪制摩爾-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-凍土復合結構破壞示意圖

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

對不同粗糙度的包絡線進行分析比較，可得出以下結論。

1)每個粗糙度下鋼管-凍土復合結構剪切強度包絡線都近似為一條直線，可用線性關系式擬合τ與σ的關系，且可作為該粗糙度下構成復合結構的2種材料在受荷載時是否發生滑移的判斷標準。

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，施加正應力，粗糙度過大對于接觸面處的凍土體結構(如冰顆粒和土顆粒間隙等)造成的內部損傷較大，導致其剪切強度較R=0.3 mm時小。

3 結論與建議

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線，給出剪切強度包絡線擬合公式，具體結論如下。

1)不同溫度條件下包絡線斜率大致相同，說明溫度對復合結構接觸面上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關系，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，-15 ℃下的剪切強度最大。

2)不同粗糙度條件下包絡線斜率不同，說明摩擦角與粗糙度之間的關系不能定量確定，但是由試驗曲線對比可以看出，在一定粗糙度范圍內，粗糙度越大，包絡線包絡范圍越廣，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試驗確定。

本試驗初步研究了溫度、粗糙度對鋼管-凍土復合結構接觸面強度的影響，選定試驗參數范圍較大，后續試驗可做以下改進。

1)經過多組試驗發現，試驗中的剪切角度設計不夠理想，當設計角度為大角度時，承受的試驗荷載會有較大幅度的增大，導致剪切強度包絡線的擬合效果不好； 且粗糙度較大，試驗破壞結果不再是脆性破壞，有悖于設計初衷。所以，今后可在小角度范圍內加密，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，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，針對不同含鹽量重復模型試驗與接觸面剪切試驗，考察凍土含鹽對鋼管-凍土復合結構力學性能的影響。

3)粗糙度只選取了3種情況，而根據試驗現象推測，當粗糙度大于一定程度時，規律性不夠明顯，接觸面處土樣顆粒結構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律。