溫度影響下透明土-混凝土接觸面摩擦力學(xué)特性試驗(yàn)研究

孫學(xué)謹(jǐn)，孔綱強(qiáng)，李春紅，曹兆虎

(1. 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；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

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溫度影響下透明土-混凝土接觸面摩擦力學(xué)特性試驗(yàn)研究

孫學(xué)謹(jǐn)1, 2，孔綱強(qiáng)1, 2，李春紅1, 2，曹兆虎1, 2

(1. 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；2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

摘要:基于室內(nèi)土工試驗(yàn)，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常用的2種透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)與混凝土材料之間接觸面的摩擦力學(xué)特性開(kāi)展研究，著重分析混凝土溫度變化對(duì)透明土-混凝土材料接觸面摩擦力學(xué)特性的影響規(guī)律；為了對(duì)比分析，開(kāi)展相同情況下砂土-混凝土材料接觸面摩擦力學(xué)特性室內(nèi)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，熔融石英砂和烘烤石英砂兩種透明土材料-混凝土材料接觸面摩擦力學(xué)特性與砂土材料-混凝土材料接觸面摩擦力學(xué)特性相似，說(shuō)明該2種透明土材料可以較好地模擬天然砂土-混凝土材料接觸面特性；溫度因素對(duì)透明土材料-混凝土材料接觸面摩擦力學(xué)特性有一定影響，但影響并不明顯。

關(guān)鍵詞：透明土；砂土；樁-土接觸面；溫度效應(yīng)；室內(nèi)試驗(yàn)

土的變形和滲流的基本規(guī)律是巖土工程中的重要課題。傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)只能通過(guò)預(yù)埋測(cè)試元器件來(lái)監(jiān)測(cè)土體變形及流體滲透問(wèn)題，試驗(yàn)過(guò)程中土體內(nèi)部的變化是不可見(jiàn)的?；跀?shù)字圖像處理技術(shù)，利用半模試驗(yàn)手段可以可視化監(jiān)測(cè)土體一個(gè)剖面或者表面的變形或滲流等巖土工程問(wèn)題[1-2]；但是，半模試驗(yàn)手段僅適用于對(duì)稱物理模型，而實(shí)際物理模型往往是非對(duì)稱問(wèn)題?；谌斯ず铣赏该魍敛牧虾蛿?shù)字圖像處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)巖土工程等物理模型可視化模型試驗(yàn)過(guò)程的方法，逐漸得到相關(guān)研究人員的重視和應(yīng)用[3-7]。但人工合成透明土材料及其模擬的天然砂土或黏土在物理力學(xué)性質(zhì)方面的相似度，制配成的透明土材料的透明度等問(wèn)題仍是制約該項(xiàng)可視化模型試驗(yàn)技術(shù)的主要因素。近年來(lái)，為了尋找透明度更高、與天然土體性質(zhì)更接近、且制配容易的透明土材料，相關(guān)研究人員針對(duì)人工合成透明土材料的制配及其物理力學(xué)性質(zhì)開(kāi)展了系列研究，并取得了一些成果。Allersma[8]最早開(kāi)始使用碎玻璃和具有相同折射率的流體制成的透明土來(lái)研究單剪條件下材料的應(yīng)力分布。Iskander 等利用無(wú)定形硅粉和具有相應(yīng)折射率的孔隙流體合成了透明土，其巖土工程性質(zhì)與黏土相似；Villeneuve等利用無(wú)定形硅膠和相應(yīng)折射率的孔隙流體合成透明土材料模擬天然砂土；并將其物理力學(xué)性質(zhì)與天然黏土或砂土進(jìn)行對(duì)比分析[9- 11]。Lo等[12]利用水族珠模擬土體，繼而開(kāi)展流體滲透問(wèn)題試驗(yàn)研究；該透明土材料制配屬于水溶型透明土，制配方便，但是制配成的透明土強(qiáng)度近似為0。吳明喜等[13-15]利用熔融石英砂和相應(yīng)折射率的孔隙流體制配透明土，并開(kāi)展了基本物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)?？拙V強(qiáng)等[16]針對(duì)烘烤石英砂等制配成的透明土試樣的物理力學(xué)特性進(jìn)行了基本性質(zhì)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，碎玻璃材料制配成的土樣為半透明材料；硅膠或無(wú)定形二氧化硅顆粒的高吸水性和易塑性，容易導(dǎo)致顆粒吸水破裂并著色或在低圍壓下發(fā)生塑性變形；水族珠制配而成的水溶型透明土強(qiáng)度近似為0，與天然土體性質(zhì)差異較大；融熔石英砂或烘烤石英砂的顆粒折射率較高，需要與之匹配的無(wú)機(jī)溶液濃度較高而不易調(diào)配，而利用有機(jī)油制配的人工合成透明土試樣中存在明顯的凝聚力，這與天然砂性土有一定的差異；整體而言，利用融熔石英砂或烘烤石英砂制配而成的透明土材料透明度相對(duì)更好一些，因此融熔石英砂和烘烤石英砂也是近幾年最常用的2種材料。綜上所述，已有文獻(xiàn)主要是針對(duì)透明土材料本身的物理力學(xué)特性開(kāi)展研究，而針對(duì)透明土材料與混凝土結(jié)構(gòu)(如樁基礎(chǔ)等)之間的摩擦力學(xué)特性研究相對(duì)較少。循環(huán)溫度變化下樁-土相互作用及接觸面摩擦特性是分析能量樁承載力特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外常用的2種透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)與混凝土樁材料之間接觸面的摩擦力學(xué)特性開(kāi)展研究，著重分析混凝土樁結(jié)構(gòu)溫度變化對(duì)透明土-樁接觸面摩擦力學(xué)特性的影響規(guī)律；為了對(duì)比分析，開(kāi)展了相同情況下砂土-樁接觸面摩擦力學(xué)特性室內(nèi)試驗(yàn)。

1材料特性與試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)所選用的人工合成透明土固體顆粒材料為熔融石英砂和烘烤石英砂(材料實(shí)物圖如圖1所示)，由徐州新沂萬(wàn)和礦業(yè)有限公司生產(chǎn)；作為對(duì)比分析的砂土，選自南京市河西地區(qū)。試驗(yàn)土樣分3類：干樣、水飽和樣和油飽和樣；水采用自來(lái)水，油采用正十二烷與15號(hào)白油按質(zhì)量1∶4混合的油(混合油的折射率與透明固體顆粒折射率一致)。

(a)熔融石英砂；(b)烘烤石英砂圖1　室內(nèi)試驗(yàn)材料實(shí)物圖Fig.1 Materials for laboratory tests

1.1試驗(yàn)材料物理、力學(xué)特性

透明土固體顆粒材料為有棱角的形狀不規(guī)則的固體顆粒。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[17]，對(duì)本文采用的透明土固體顆粒材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)及天然砂土進(jìn)行了顆分、比重、相對(duì)密度試驗(yàn)。熔融石英砂、烘烤石英砂以及作為對(duì)比試驗(yàn)的天然砂土的顆分曲線如圖2所示。

由圖2可知，熔融石英砂的不均勻系數(shù)Cu=1.86，曲率系數(shù)Cc=1.10；烘烤石英砂的不均勻系數(shù)Cu=1.49，曲率系數(shù)Cc=0.93；所采用的天然砂土的不均勻系數(shù)Cu=2.50，曲率系數(shù)Cc=1.18。經(jīng)2次平行測(cè)定，測(cè)得熔融石英砂透明土的平均比重約為2.238，烘烤石英砂透明土的平均比重約為2.190，分別約為標(biāo)準(zhǔn)砂比重的84.5%和82.6%(標(biāo)準(zhǔn)砂的平均比重約為2.650[17])。用漏斗法測(cè)定最小干密度，用振擊法測(cè)定最大干密度，得到3種材料相對(duì)密度的試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

圖2　顆粒分析試驗(yàn)曲線Fig.2 Gradation curves of glass sand

編號(hào)試驗(yàn)材料最小干密度ρmin/(g·cm-3)最大干密度ρmax/(g·cm-3)A熔融石英砂1.2311.352B烘烤石英砂1.1511.284C天然砂土1.4681.736

1.2試驗(yàn)方案與工況設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)使用的是常規(guī)ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀；利用水浴法控制混凝土樁材料的溫度(先對(duì)擬控制溫度 的混凝土樁材料進(jìn)行水浴加熱，然后放入直剪盒內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)；為盡量減少試驗(yàn)過(guò)程中溫度消散的影響，取試驗(yàn)開(kāi)始前和結(jié)束后溫度的平均值作為試驗(yàn)溫度值。有一定的誤差，但控制的高溫與低溫之間有一定的差值，可以近似實(shí)現(xiàn)不同溫度下透明土-混凝土樁材料接觸面摩擦力學(xué)特性的研究)。所有土樣，控制試樣干密度為1.5 g/cm3；試樣飽和采用加水或加油靜置飽和方法。開(kāi)展3種土樣(熔融石英砂、烘烤石英砂和天然砂土)的不同狀態(tài)(干樣、水飽和樣和油飽和樣)、不同法向應(yīng)力(100，150，250和450 kPa)以及不同溫度(17 (常溫)，25，50和75oC)條件下，土樣的直剪試驗(yàn)和土樣-混凝土樁材料接觸面直剪試驗(yàn)(因?yàn)楸疚脑囼?yàn)基于能量樁溫度變化下樁-土接觸面摩擦特性的研究，混凝土材料用于模擬樁基礎(chǔ)，所以將混凝土材料稱作混凝土樁)；土樣-混凝土樁材料接觸面直剪試驗(yàn)方案與工況設(shè)計(jì)分別如表2所示，直剪試驗(yàn)試樣實(shí)物圖如圖3所示。

表2溫度影響下土樣-混凝土樁材料直剪試驗(yàn)工況

Table 2 Conditions of direct shear test of soil-pile interface under different temperature

編號(hào)試樣試樣狀態(tài)法向應(yīng)力/kPa溫度/oCA1熔融干樣17A2石英水飽和樣100～450A3砂油飽和樣25B1烘烤干樣B2石英水飽和樣100～45050B3砂油飽和樣C1C2天然砂土干樣水飽和樣100～45075

圖3　直剪試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.3 Physical map of direct shear test

2常溫條件下直剪試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1土樣直剪試驗(yàn)結(jié)果與分析

常溫條件下，熔融石英砂和烘烤石英砂土樣剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，融石英砂和烘烤石英砂土樣剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線與常規(guī)天然土樣的曲線規(guī)律類似；油飽和樣熔融石英砂，直剪試驗(yàn)時(shí)指針讀數(shù)跳動(dòng)的現(xiàn)象相對(duì)明顯，油飽和樣烘烤石英砂的跳動(dòng)現(xiàn)象相對(duì)不明顯一些；這可能是由于熔融石英砂固體顆粒中不規(guī)則顆粒、偏扁長(zhǎng)形的顆粒占的比例相對(duì)較多引起的；在直剪過(guò)程中，固體顆粒可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致指針越容易跳動(dòng)。

圖4　常溫下透明土樣剪切力與剪切位移關(guān)系曲線(17 oC)Fig.4 Curves of shear strength versus shear displacement of soil sample under normal temperature (17 oC)

常溫條件下，透明土樣(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土的抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖5所示。為了盡量減小誤差，進(jìn)行了2組平行試驗(yàn)，取2次試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度平均值作為各級(jí)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度。由圖5可知，無(wú)論在干樣狀態(tài)、還是在水飽和狀態(tài)和油飽和狀態(tài)下，熔融石英砂和烘烤石英砂的抗剪強(qiáng)度值均相近，且數(shù)值略比天然砂土的抗剪強(qiáng)度值大一些。與天然砂土含水率變化后抗剪強(qiáng)度值的變化率相比，透明土樣含水率的變化或者孔隙流體的種類對(duì)抗剪強(qiáng)度值影響相對(duì)不明顯。

圖5　常溫下土樣抗剪強(qiáng)度曲線(17 oC)Fig.5 Curves of shear strength of soil sample under normal temperature (17 oC)

2.2土樣-混凝土樁材料直剪試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

常溫條件下，透明土樣(熔融石英砂和烘烤石英砂)與混凝土樁材料間的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，熔融石英砂和烘烤石英砂2種透明土材料與混凝土樁材料間的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線的變化規(guī)律相似，剪應(yīng)力均隨剪切位移的增加而逐漸增加；相同位移值情況下，透明土材料與混凝土樁材料間的剪應(yīng)力值略比相應(yīng)透明土材料的剪應(yīng)力值大一些。

圖6　常溫條件下土樣-混凝土樁材料剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(17 oC)Fig.6 Curves of shear strength versus shear displacement of sand concrete pile interface under normal temperature (17 oC)

2.2.2抗剪強(qiáng)度曲線

常溫條件下，透明土樣(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖7所示。同樣，為了盡量減小誤差，進(jìn)行了2組平行試驗(yàn)，取2次試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度平均值作為各級(jí)法向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度。由圖7可知，不同土樣狀態(tài)(干樣、水飽和樣和油飽和樣)下，熔融石英砂和烘烤石英砂與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值相近，且數(shù)值略比天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值大一些。與天然砂土含水率變化后天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值的變化率相比，透明土樣含水率的變化或者孔隙流體的種類對(duì)透明土材料與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值影響相對(duì)不明顯。與圖5所示的土樣本身的抗剪強(qiáng)度相比較，透明土樣與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值與透明土樣本身的抗剪強(qiáng)度值相近，其數(shù)值略有增加。常溫條件下，熔融石英砂與混凝土樁材料、熔融石英砂本身材料的抗剪強(qiáng)度對(duì)比曲線如圖8所示。由圖8可知，熔融石英砂與混凝土樁材料、熔融石英砂本身材料的抗剪強(qiáng)度值非常相近。

圖7　常溫下土樣-混凝土樁材料抗剪強(qiáng)度曲線(17 oC)Fig.7 Curves of shear strength of soil - concrete pile interface under normal temperature (17 oC)

圖8　常溫下熔融石英砂-混凝土樁材料與熔融石英砂抗剪強(qiáng)度對(duì)比曲線(17 oC)Fig.8 Comparative curves of shear strength of fused silica - concrete pile interface and fused silica sample under normal temperature (17 oC)

3溫度變化下土樣-混凝土樁材料直剪試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系

溫度變化條件下，不同土樣狀態(tài)下烘烤石英砂與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖9所示。由圖9可知，溫度變化(從17oC變化到75oC)對(duì)烘烤石英砂與混凝土樁材料接觸面的抗剪強(qiáng)度有一些影響，但是影響不明顯。25oC和75oC溫度條件下，透明土材料(熔融石英砂和烘烤石英砂)和天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖10所示。由圖10可知，水飽和樣的熔融石英砂、烘烤石英砂以及天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值對(duì)溫度的影響相對(duì)不敏感。

圖9　溫度變化條件下烘烤石英砂-混凝土樁材料抗剪強(qiáng)度曲線Fig.9 Curves of shear strength of baked quartz - concrete pile interface under different temperature

圖10　溫度變化條件下土樣-混凝土樁材料抗剪強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig.10 Comparative curves of shear strength of soil sample - concrete pile interface under different temperature

3.2抗剪強(qiáng)度與混凝土樁材料溫度的關(guān)系

溫度變化條件下，干樣和水飽和樣狀態(tài)下的熔融石英砂、烘烤石英砂和天然砂土與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值與混凝土樁材料溫度的關(guān)系曲線分別如圖11所示。由圖11可知，無(wú)論是干樣還是水飽和樣狀態(tài)下，烘烤石英砂-混凝土樁材料抗剪強(qiáng)度值大于熔融石英砂-混凝土樁材料抗剪強(qiáng)度值和天然砂土-混凝土樁材料抗剪強(qiáng)度值；抗剪強(qiáng)度值提高約為10%。不同土樣狀態(tài)下，熔融石英砂和烘烤石英砂與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值與混凝土樁材料溫度的關(guān)系曲線分別如圖12所示。由圖12可知，土樣的狀態(tài)對(duì)抗剪強(qiáng)度有一些影響，但是影響不明顯。由圖11～12可知，本文試驗(yàn)條件下，樁體溫度的變化，對(duì)土樣與混凝土樁材料之間接觸面的抗剪強(qiáng)度值影響不明顯；這可能是由于樁體材料溫度維持時(shí)間不夠長(zhǎng)所造成的。

(a)干樣；(b)水飽和樣圖11　不同試樣狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度與混凝土樁材料溫度關(guān)系曲線Fig.11 Curves of shear strength versus the temperature of concrete pile material under different sample condition

(a)熔融石英砂；(b)烘烤石英砂圖12　不同材料下抗剪強(qiáng)度與混凝土樁材料溫度關(guān)系曲線Fig.12 Curves of shear strength versus the temperature of concrete pile material with different soil sample

3.3試驗(yàn)誤差分析

常規(guī)ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀的儀器精度相對(duì)較低，儀器的讀數(shù)和控制誤差很容易導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的偏差；因此，開(kāi)發(fā)控制精度更高、試驗(yàn)試樣尺寸更合理的直剪儀對(duì)于研究溫度影響下透明土-混凝土材料接觸面摩擦特性問(wèn)題非常有必要。

同時(shí)，混凝土樁材料采用水浴法來(lái)控制溫度；水浴本身的溫度容易控制，試驗(yàn)室溫度可以通過(guò)恒溫恒濕室得以控制，但是混凝土材料的溫度不易控制，且混凝土材料離開(kāi)水浴之后溫度消散問(wèn)題更不可控。剪切試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土材料本身的真實(shí)溫度不得而知。同時(shí)，本文試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土樁材料溫度控制時(shí)間比較短，樁體的溫度很難有效、迅速的傳遞到土體材料中，也是導(dǎo)致溫度變化對(duì)抗剪強(qiáng)度值影響相對(duì)不明顯的原因之一。因此，有必要在直剪過(guò)程中，對(duì)混凝土材料的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；即透明土-混凝土材料直剪過(guò)程中，維持混凝土材料的溫度控制系統(tǒng)。

4結(jié)論

1)本文試驗(yàn)條件下，常溫下熔融石英砂和烘烤石英砂透明土材料本身的抗剪強(qiáng)度值相近，且均比天然砂土材料本身的抗剪強(qiáng)度值大一些。常溫下熔融石英砂、烘烤石英砂透明土材料與混凝土樁材料接觸面抗剪強(qiáng)度值相近，且均與天然砂土與混凝土樁材料接觸面力學(xué)特性相似，其數(shù)值略比天然砂土大一些。相同材料與混凝土樁材料間的抗剪強(qiáng)度值比材料本身的抗剪強(qiáng)度值略大一些。

2)本文試驗(yàn)條件下，不同試樣狀態(tài)下，溫度對(duì)透明土材料與混凝土樁材料接觸面的抗剪強(qiáng)度均無(wú)明顯影響；與天然砂土與混凝土樁材料接觸面抗剪強(qiáng)度值受溫度影響的規(guī)律基本一致。

3)由于受直剪試驗(yàn)儀器精度和混凝土樁材料水浴法溫度控制精度等因素影響，同時(shí)由于試驗(yàn)過(guò)程中，混凝土樁材料溫度控制時(shí)間比較短，樁體的溫度很難有效、迅速的傳遞到土體材料中，從而導(dǎo)致溫度變化對(duì)抗剪強(qiáng)度值影響相對(duì)不明顯；因此，本文試驗(yàn)條件下所得結(jié)果建議做定性分析之用。

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Experimental on interface mechanical of transparent sand concrete influenced by temperatureSUN Xuejin1, 2, KONG Gangqiang1, 2, LI Chunhong1, 2, CAO Zhaohu1, 2

(1. Key Laboratory of Geomechanics and Emban km ent Engineering (Hohai University), Ministry of Education, Nanjing 210098, China;2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract：Based on transparent sand material and digital image processing technology, the visualization of model test method for geotechnical engineering was gradually applied. However, the researches focused on the mechanical properties of interface between transparent sand and concrete structures (such as, pile foundation) were relatively little. Besides, the researches focused on the transparent sand concrete pile interface mechanical properties influenced by temperature effect was relatively less. Based on laboratory tests, two transparent sand materials (fused silica and baked quartz), which are commonly used at home and abroad, were chosen for studies. The interface mechanical properties between these two transparent sand and concrete influenced by temperature was taken out. For comparison, the interface mechanical properties between sand and concrete influenced by temperature was also carried out. The results show that the interface mechanical properties between these two transparent materials and concrete material are similar with those between sand material and concrete. It indicates that these two types of transparent sand materials can be used in the simulation of natural sand - concrete interface characteristics. It also shows that the values of interface mechanical properties are influenced by temperature effect un-obviously.

Key words：transparent sand; sand; pile-soil interface; temperature effect; laboratorial test

中圖分類號(hào)：TU375

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)04-0632-07

通訊作者：孔綱強(qiáng)(1982-)，男，浙江金華人，教授，博士，從事樁-土相互作用及能量樁技術(shù)方面的教學(xué)與科研；E-mail: gqkong1@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278170，51478165)

收稿日期：2015-08-01