干濕循環(huán)作用下鋼土界面剪切特性試驗(yàn)

梁 越，儲(chǔ) 昊，曾 超（1.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；3.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074）

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干濕循環(huán)作用下鋼土界面剪切特性試驗(yàn)

梁 越1，2，儲(chǔ) 昊1，3，曾 超1，3
（1.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；
2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098；3.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074）

摘要：為研究干濕循環(huán)作用下鋼土界面剪切特性對(duì)鋼護(hù)筒嵌巖樁周土軟化變形規(guī)律的影響，通過(guò)改進(jìn)的室內(nèi)直剪試驗(yàn)，設(shè)計(jì)一定含水率、干密度、級(jí)配的初始試樣，進(jìn)行了初始狀態(tài)和4次干濕循環(huán)共5組工況的試驗(yàn)，依次在50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa這4種法向應(yīng)力條件下進(jìn)行鋼土界面和土體本身的剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：干濕循環(huán)對(duì)土體本身的影響大于對(duì)鋼土界面抗剪強(qiáng)度的影響；鋼土界面剪切過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈彈塑性變化，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象；鋼土界面和土體本身摩擦角變化不大，而黏結(jié)力呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：鋼土界面；剪切特性；干濕循環(huán)；抗剪強(qiáng)度；嵌巖樁

隨著內(nèi)河航運(yùn)的發(fā)展，在長(zhǎng)江中上游的內(nèi)河碼頭建設(shè)中，大尺寸鋼護(hù)筒嵌巖樁正被廣泛應(yīng)用。鋼護(hù)筒嵌巖樁嵌巖段以上一般為岸坡回填覆蓋層，樁基在覆蓋層內(nèi)受到的側(cè)阻力對(duì)鋼護(hù)筒嵌巖樁的承載性能有較大的影響。樁基在施工過(guò)程中，往往先開(kāi)挖修筑樁體，然后回填土體并碾壓夯實(shí)。填筑結(jié)束后，填土早期為非飽和土，在降雨頻繁期逐漸浸水轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡屯?，在枯水期則又變回非飽和土?？梢?jiàn)，在季節(jié)性降雨變化情況下，填土的飽和狀態(tài)呈現(xiàn)交替變化，即土體干濕循環(huán)。土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性在干濕循環(huán)作用下，可能發(fā)生不可逆的變化，不可忽視其影響效應(yīng)。王亞坤等[1]認(rèn)為由于干濕循環(huán)破壞了土的原有結(jié)構(gòu)，使泥巖結(jié)構(gòu)崩解，黏結(jié)力減小，從而導(dǎo)致風(fēng)化泥巖的抗剪強(qiáng)度和CBR強(qiáng)度逐漸減小，并且減小趨勢(shì)隨循環(huán)次數(shù)的增多而變緩，內(nèi)摩擦角也會(huì)稍微減小。龔壁衛(wèi)等[2]針對(duì)膨脹土干濕循環(huán)過(guò)程中的吸力變化和強(qiáng)度變化特征研究后認(rèn)為土水特征曲線是不穩(wěn)定的，它與土體含水率的變化路徑有關(guān)，并且在干濕循環(huán)過(guò)程中，相同的吸力具有不同的強(qiáng)度貢獻(xiàn)。汪東林等[3]針對(duì)非飽和重塑黏土，結(jié)合收縮曲線和土水特征曲線，探討試樣在干燥收縮過(guò)程中基質(zhì)吸力與孔隙比之間的關(guān)系，結(jié)果表明：試樣收縮系數(shù)和土水特征曲線與凈平均應(yīng)力密切相關(guān)；試樣在吸濕過(guò)程中，在低凈平均應(yīng)力下發(fā)生膨脹，而在較高凈平均應(yīng)力下試樣在膨脹后發(fā)生坍塌。張芳枝等[4]和曹玲等[5]進(jìn)行了干濕循環(huán)對(duì)非飽和土體力學(xué)特性、強(qiáng)度特性的研究。詹良通等[6]通過(guò)一系列吸濕試驗(yàn)、等吸力壓縮固結(jié)試驗(yàn)和等吸力剪切試驗(yàn)，得到了在等向壓縮固結(jié)過(guò)程中，該非飽和膨脹土的屈服應(yīng)力隨吸力增大而增大，而屈服后的壓縮系數(shù)隨吸力增大而減小的規(guī)律，表明吸力對(duì)土體具有硬化作用。國(guó)內(nèi)學(xué)者也做了大量膨脹土膨脹特性、強(qiáng)度特性、接觸面剪切特性等研究[7-13]。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)干濕循環(huán)對(duì)土體影響的研究主要從收縮曲線、水體特征、基質(zhì)吸力、力學(xué)特性、變形和強(qiáng)度特性等方面開(kāi)展。本文主要研究干濕循環(huán)對(duì)鋼土界面剪切特性的影響，從鋼土界面剪切規(guī)律、抗剪強(qiáng)度和強(qiáng)度指標(biāo)變化入手，基于界面剪切特性確定樁側(cè)阻力隨干濕循環(huán)變化次數(shù)的計(jì)算原則。

1 試驗(yàn)裝置和方案

1. 1 試驗(yàn)材料

長(zhǎng)江上游泥巖分布廣泛，且開(kāi)采出來(lái)的泥巖料常用于碼頭回填，故而本文選取泥巖為試驗(yàn)土料，土料取自重慶港口，考慮到試驗(yàn)材料用于碼頭回填和打樁時(shí)對(duì)樁周土的擾動(dòng)，為了與實(shí)際情況相符，土樣采用重塑土，其制備方法是將土風(fēng)干后進(jìn)行篩分，按原狀土樣的含水量和干密度加水拌和、壓實(shí)而成。對(duì)土樣進(jìn)行基本的物理特性試驗(yàn)，測(cè)得其基本性質(zhì)指標(biāo)如下：土顆粒相對(duì)密度為2. 72，塑限為21. 2%，液限為39. 6%，最大干密度為1. 92 g/ cm3。試樣設(shè)計(jì)干密度為1. 85 g/ cm3，含水率為8%，試樣顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

圖1 顆粒級(jí)配曲線

1. 2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器在現(xiàn)有直剪儀上改進(jìn)而得到，具體改進(jìn)措施為：在下剪切盒上放置鋼板，鋼板各邊邊長(zhǎng)與下盒斷面邊長(zhǎng)相同，厚度為3 mm，且在鋼板上進(jìn)行人工鉆孔，孔位置與下剪切盒孔位置重合，并通過(guò)銷釘將鋼板固定于下剪切盒上且銷釘高度與鋼板面平齊，使得鋼板在水平方向上與下剪切盒無(wú)相對(duì)位移，上、下剪切盒尺寸為100mm×100 mm×30 mm（長(zhǎng)×寬×高，下同）；鋼板尺寸為100 mm×100 mm×3 mm；試樣直徑為61. 8 mm，高度為20 mm，如圖2所示。根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范，直剪過(guò)程中最大水平位移為6 mm，相對(duì)于鋼板平面而言，改進(jìn)的直剪儀在整個(gè)剪切過(guò)程中土樣與鋼板的接觸面積是不變的，彌補(bǔ)了常規(guī)直剪中土樣剪切面積逐漸縮小這一缺點(diǎn)。為了減小上剪切盒與鋼板的摩擦，在其上剪切盒上涂抹聚四氟乙烯。

圖2 剪切試驗(yàn)裝置示意圖

1. 3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用改進(jìn)的應(yīng)變控制式直剪儀研究干濕循環(huán)對(duì)鋼土界面剪切特性的影響。每組試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行快剪試驗(yàn)，每分鐘剪切位移為2. 4 mm。試驗(yàn)中測(cè)力計(jì)讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定值或有顯著后退，表示試樣已經(jīng)剪損。隨著法向應(yīng)力的增大，達(dá)到最大剪切應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切位移也隨之增大，直剪儀轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈記錄下水平和豎直位移百分表的讀數(shù)。考慮干濕循環(huán)對(duì)鋼土接觸面剪切特性的影響，設(shè)計(jì)干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、1次、2次、3次、4次，每組干濕循環(huán)下均做4組試驗(yàn)，設(shè)計(jì)法向應(yīng)力為4級(jí)，分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。試樣制備完成后稱量其環(huán)刀和土樣的總質(zhì)量，根據(jù)干密度和含水率計(jì)算一個(gè)環(huán)刀內(nèi)土和水的質(zhì)量，這樣可以通過(guò)質(zhì)量來(lái)控制土樣是否達(dá)到脫水全干和完全飽和。初始時(shí)制備了40個(gè)試樣，每干濕循環(huán)1次后提取8個(gè)試樣進(jìn)行稱量，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行試驗(yàn)，剩下的繼續(xù)進(jìn)行干濕循環(huán)直到對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)完成。

1. 4 干濕循環(huán)路徑設(shè)計(jì)

干濕循環(huán)的路徑有許多種，不同的路徑可能會(huì)產(chǎn)生不同的影響。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)路徑為：初始試樣→脫水全干→完全飽和→初始試樣，這樣為1次干濕循環(huán)，其余過(guò)程一致。判斷每次循環(huán)是否完成的標(biāo)準(zhǔn)是將初始試樣進(jìn)行編號(hào)并稱量每個(gè)試樣的質(zhì)量，利用小太陽(yáng)并自然風(fēng)干2～3 d左右使其完全達(dá)到風(fēng)干狀態(tài)；利用真空飽和器飽和1d左右使其完全飽和，取出試樣后再進(jìn)行自然風(fēng)干，每隔一段時(shí)間稱量每個(gè)編號(hào)試樣的質(zhì)量，并與初始試樣進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)與初始試樣質(zhì)量相差很小時(shí)可以認(rèn)為干濕循環(huán)完成。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2. 1干濕循環(huán)后應(yīng)力位移關(guān)系

圖3為法向應(yīng)力為50kPa時(shí)不同干濕循環(huán)次數(shù)下鋼土界面剪應(yīng)力τ與水平位移λ的關(guān)系曲線。由圖3可知，不同干濕循環(huán)次數(shù)下，剪應(yīng)力隨水平位移的增加呈彈塑性變化，可見(jiàn)明顯的彈性階段和塑性階段，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，并且剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的剪切位移大致相同；此外，在50 kPa下，鋼土界面第1次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)時(shí)抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)了18. 90%，第2次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)減小了3. 94%，第3次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)減小了7. 87%，第4次干濕循環(huán)相比第3次循環(huán)變化不大；說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)鋼土界面的抗剪強(qiáng)度并不是隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，反而出現(xiàn)了第1次干濕循環(huán)后抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)的現(xiàn)象。在第1次干濕循環(huán)過(guò)程中，由于泥巖自身的崩解以及水對(duì)黏土礦物的水化作用，使土體內(nèi)的膠結(jié)物溶解和析出，增大了顆粒間的黏結(jié)力，表現(xiàn)出黏結(jié)力增大同時(shí)內(nèi)摩擦角變化很小的規(guī)律，根據(jù)莫爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論τ＝c＋σtanφ可知τ會(huì)增長(zhǎng)。

圖3鋼土界面剪切位移剪應(yīng)力關(guān)系曲線

通過(guò)圖4可以看出土體本身干濕循環(huán)后有明顯的應(yīng)力軟化現(xiàn)象，不同干濕循環(huán)次數(shù)下剪切應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的剪切位移不同。50 kPa法向應(yīng)力作用下，第1次干濕循環(huán)后土體本身抗剪強(qiáng)度比初始狀態(tài)減小了3. 07%，第2次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)增大了29. 37%，第3次干濕循環(huán)比初始狀態(tài)增大了5. 06%，第4次干濕循環(huán)相比第3次循環(huán)變化不大。當(dāng)法向應(yīng)力為100 kPa、150 kPa、200 kPa時(shí)，均有類似的變化規(guī)律，只是變化幅度稍微緩和。通過(guò)鋼土界面和土體本身的數(shù)據(jù)對(duì)比，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)土體本身抗剪強(qiáng)度的影響要大于對(duì)鋼土界面抗剪強(qiáng)度的影響。

圖4土體剪切位移剪應(yīng)力關(guān)系曲線

2. 2 干濕循環(huán)后極限抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力關(guān)系

圖5表示不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下的法向應(yīng)力σ和極限剪應(yīng)力τc的關(guān)系曲線，可以看出，法向應(yīng)力與極限剪應(yīng)力呈良好的線性關(guān)系，即試驗(yàn)得到的鋼土界面剪切強(qiáng)度符合摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，并且出現(xiàn)鋼土界面直剪試驗(yàn)第1次循環(huán)抗剪強(qiáng)度包線最靠上，第3次循環(huán)抗剪強(qiáng)度包線位置最靠下，第4次與第3次循環(huán)幾乎重合。說(shuō)明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鋼土界面極限抗剪強(qiáng)度先增大后減小并在3～4次循環(huán)后達(dá)到穩(wěn)定。

圖5鋼土界面法向應(yīng)力極限剪應(yīng)力關(guān)系曲線

2. 3 干濕循環(huán)對(duì)抗剪指標(biāo)的影響

由表1可知，無(wú)論是鋼土界面還是土體本身隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加摩擦角φ變化很小，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)鋼土界面和土體本身滑動(dòng)和咬合影響不大。在鋼土界面上顆粒間的滑動(dòng)表現(xiàn)在顆粒與鋼板之間，滑動(dòng)的接觸面積不變，鋼板表面的光滑程度一定，根據(jù)u＝tanφ，摩擦系數(shù)u不變，因而摩擦角φ不變，對(duì)于土體本身顆粒間的咬合作用，在試驗(yàn)過(guò)程中剪切面大部分位于鋼板與土之間，可知滑動(dòng)摩擦起主導(dǎo)作用，綜上所述，干濕循環(huán)對(duì)鋼土界面的摩擦角影響不大。

表1 干濕循環(huán)次數(shù)與黏結(jié)力和摩擦角的關(guān)系

圖6、圖7分別為鋼土界面和土體本身黏結(jié)力隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線，由圖可知，鋼土界面和土體本身的黏結(jié)力均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。一般而言，影響土黏結(jié)力大小的因素大致有5種：靜電引力、范德華力、顆粒間的膠結(jié)、顆粒間接觸點(diǎn)的化合鍵以及表觀黏結(jié)力[14]，本試驗(yàn)中對(duì)黏結(jié)力大小起決定性作用的是顆粒間的膠結(jié)；在循環(huán)開(kāi)始時(shí)，由于泥巖自身的崩解以及水對(duì)黏土礦物的水化作用，土體內(nèi)的膠結(jié)物溶解和析出，顆粒間形成一種很強(qiáng)的化學(xué)鍵，增強(qiáng)了顆粒間的黏結(jié)作用，從而提高了土體的黏結(jié)力；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆粒間的這種化學(xué)鍵不斷地破壞，表現(xiàn)為黏結(jié)力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加先增大后減小。

圖6鋼土界面黏結(jié)力干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖7土體本身黏結(jié)力干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

a.不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)鋼土界面的剪切強(qiáng)度有不同的影響，第1次干濕循環(huán)后抗剪強(qiáng)度增大，第2次循環(huán)后抗剪強(qiáng)度減小，第3次循環(huán)后降至最低，而第4循環(huán)與第3次循環(huán)相比變化不大。

b.不同法向應(yīng)力下干濕循環(huán)對(duì)鋼土界面的抗剪強(qiáng)度影響不同，隨著法向應(yīng)力的增大，干濕循環(huán)的影響變得越不明顯。在50 kPa下干濕循環(huán)對(duì)鋼土界面的抗剪強(qiáng)度影響較大，變化值在-3. 94%～-7. 87%。

c.干濕循環(huán)對(duì)土體本身抗剪強(qiáng)度的影響要大于對(duì)鋼土界面抗剪強(qiáng)度的影響。

d.干濕循環(huán)對(duì)鋼土界面和土體本身內(nèi)的摩擦角影響不大；鋼土界面和土體本身黏結(jié)力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈先增大后減小的趨勢(shì)。

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Experimental study on shear characteristics at steel-soil interface with drying-wetting cycles/ /

LIANG Yue1，2，CHU Hao1，3，ZENG Chao1，3（1. National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China；2. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；3. School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract：In order to study the influence of the shear properties at the steel-soil interface with drying-wetting cycles on the softening deformation of soil around the steel-casing rock-socketed pile，initial samples with a certain moisture content，dry density，and gradation were designed. And shear tests on the steel-soil interface and soil body were carried out in five cases，including a initial state and four different numbers of drying-wetting cycles. In each case，samples were subjected to four vertical pressures：50 kPa，100 kPa，150 kPa，and 200 kPa. The results show that the influence of drying-wetting circles on the shear strength of soil is greater than that on the shear strength of the steel-soil interface. During the shear process，there is an elastic-plastic stress-strain relationship，and no strain-softening phenomenon occurs at the steel-soil interface under drying-wetting circles. With the increase of the number of drying-wetting circles，the friction angles of the steel-soil interface and soil change little，while their cohesive forces increase first and then decrease.

Key words：steel-soil interface；shear characteristics；drying-wetting cycle；shear strength；rock-socketed pile

收稿日期：（2014 10 09 編輯：駱超）

作者簡(jiǎn)介：梁越（1985—），男，副教授，博士，主要從事大尺寸樁基承載性狀等研究。E-mail：liangyue2560@163. com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51409029）；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃（cstc2013jcyjA30006）；巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金（GH201303）

中圖分類號(hào)：TU411. 7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006 7647（2016）01 0049 04