堿渣土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王成武，周俊中，朱鵬宇，張 淵

(1. 淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001；2. 中億建工程管理股份有限公司，江蘇 淮安 223003)

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堿渣土與結(jié)構(gòu)接觸面剪切力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王成武1，周俊中2，朱鵬宇1，張 淵1

(1. 淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001；2. 中億建工程管理股份有限公司，江蘇 淮安 223003)

堿渣土可以作為大面積回填材料，但其理論研究相對(duì)落后于實(shí)踐，利用改進(jìn)的直剪儀，進(jìn)行了堿渣土與三種不同粗糙程度結(jié)構(gòu)界面的直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：作用在接觸面上的法向應(yīng)力和粗糙程度對(duì)接觸面的剪切應(yīng)力和力學(xué)響應(yīng)影響很大；可以采用莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則作為堿渣土與結(jié)構(gòu)接觸面的抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則，粗糙度對(duì)接觸面的內(nèi)摩擦角影響較小，而對(duì)黏聚力影響較大。

堿渣土; 接觸面; 力學(xué)特性; 試驗(yàn)研究

0 引言

堿渣是堿廠利用“氨堿法”生產(chǎn)碳酸鈉過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在堿渣的工程應(yīng)用方面做了許多的研究。閆澍旺等[1]的研究表明，堿渣與其它材料(如粉煤灰等)拌和可制成工程土，代替一般工程土作為道路基礎(chǔ)或大面積填墊材料的途經(jīng)；王芳等[2]提出了測(cè)定堿渣基本物理性質(zhì)較為合理的試驗(yàn)方法；孫樹(shù)林等[3]對(duì)利用堿渣作為添加劑對(duì)膨脹土改良的可行性和改良效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)堿渣對(duì)膨脹土膨脹性的改良有顯著效果，堿渣改性土黏聚力顯著增加，而內(nèi)摩擦角變化不大；冀國(guó)棟等[4]研究發(fā)現(xiàn)，摻入粉煤灰能明顯改善回填堿渣的強(qiáng)度，使其黏聚力、內(nèi)摩擦角都大幅提高，抗剪強(qiáng)度大幅增加；曹軍、張淵[5-6]對(duì)淮安堿廠堿渣的吸濕性、密度、塑限、液限等基本物理性質(zhì)進(jìn)行了研究，為堿渣工程化應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

土與結(jié)構(gòu)接觸界面的剪切力學(xué)特性，是土體與結(jié)構(gòu)物相互作用研究的核心課題之一[7]。堿渣土作為工程回填材料，必然會(huì)存在著土體與結(jié)構(gòu)的相互作用問(wèn)題，例如堿渣土與基礎(chǔ)、堿渣土與樁、堿渣土與擋土結(jié)構(gòu)物等。本文主要從堿渣土作為填墊材料的角度出發(fā)，研究堿渣土與結(jié)構(gòu)接觸面的力學(xué)特性試驗(yàn)，探討堿渣土與結(jié)構(gòu)相互作用的機(jī)理和規(guī)律，對(duì)擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地下工程安全等具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)儀器與材料

1.1 試驗(yàn)儀器

作為研究不同材料接觸界面剪切力學(xué)特性的主要手段，直接剪切試驗(yàn)雖然存在著一些不足和缺陷，但由于操作簡(jiǎn)便等原因，一直倍受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的推崇[7]。

本次試驗(yàn)的主要儀器設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)的ZJ四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主機(jī)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成。垂直載荷：最大400kPa，剪切速率：0.02～2.4mm/min。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的堿渣為江蘇井神鹽業(yè)有限公司堿廠的工業(yè)堿渣， 其自然狀態(tài)下為灰白黏塊， 經(jīng)105℃烘干后呈白色固體塊狀態(tài)，用研磨器皿將試樣堿渣磨成粉末狀后過(guò)2mm篩，如圖1所示。

(a)烘干之前 (b)烘干研磨并過(guò)篩

圖1 烘干之前和之后的堿渣

由于混凝土材料做的結(jié)構(gòu)試塊容易被壓碎等原因，本次試驗(yàn)采用不同粗糙程度的鋼板代替不同的砼結(jié)構(gòu)面。粗糙程度分為光滑(鋼板表面光滑)、一般粗糙(鋼板表面噴砂處理)、特別粗糙(鋼板表面刻有深3mm，寬5mm的凹槽，試驗(yàn)時(shí)凹槽垂直于剪切方向)三種，如圖2所示。

(a)光滑結(jié)構(gòu)面 (b)一般粗糙 (c)特別粗糙

2 試驗(yàn)結(jié)果的初步分析

在不同法向應(yīng)力條件下，進(jìn)行堿渣土與不同粗糙程度的結(jié)構(gòu)界面的直剪試驗(yàn)，每次至少進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，并取其均值。結(jié)果如圖3所示。限于篇幅，此處列出粉煤灰取代率為20%，法向應(yīng)力為50kPa，100kPa兩種情況下的剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系曲線，也稱τ-ωs曲線。

由圖3可見(jiàn)，隨著作用在堿渣土—結(jié)構(gòu)接觸界面的法向應(yīng)力和結(jié)構(gòu)面的粗糙程度不同，堿渣土—結(jié)構(gòu)面所呈現(xiàn)出的力學(xué)響應(yīng)也有所不同?？偟谋憩F(xiàn)為：在剛開(kāi)始剪切的階段，剪應(yīng)力上升較快，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力的增加幅度逐漸變緩。幾種粗糙程度的結(jié)構(gòu)面，都是隨著法向應(yīng)力的增加，應(yīng)變硬化特征逐漸增強(qiáng)，應(yīng)變軟化特征逐漸減弱。其中，一般粗糙和特別粗糙兩種結(jié)構(gòu)面的變化較為明顯。在法向應(yīng)力一定的條件下，不同粗糙程度的結(jié)構(gòu)面的特性也有所不同：如當(dāng)σ=100kPa時(shí)，一般粗糙和特別粗糙兩種結(jié)構(gòu)面的剪切應(yīng)力—位移的曲線形式基本可以認(rèn)為是為應(yīng)變硬化型的雙曲線形式，符合雙曲線模型。

(a)σ=50kPa

(b)σ=100kPa

圖3 土-結(jié)構(gòu)接觸面剪應(yīng)力-剪切位移曲線

3 堿渣土-結(jié)構(gòu)界面剪切特性的主要影響因素

3.1 界面上的法向應(yīng)力

試驗(yàn)表明，作用在堿渣土-結(jié)構(gòu)接觸界面上的法向應(yīng)力是影響接觸面剪切力學(xué)響應(yīng)的重要因素。在土性、剪切速率、結(jié)構(gòu)面粗糙程度等條件保持不變的情況下，由于作用在接觸面上的法向應(yīng)力不同，接觸面的剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系曲線的表現(xiàn)形式和峰值大小也隨之發(fā)生改變。圖4為特別粗糙接觸面在四種不同法向應(yīng)力條件下的τ-ωs曲線。

圖4 不同法向應(yīng)力條件下τ-ωs曲線

圖4可見(jiàn)，同樣的結(jié)構(gòu)面粗糙程度，而法向應(yīng)力不同的情況下，剪應(yīng)力-剪切位移曲線呈現(xiàn)出不同的形狀，且當(dāng)剪切位移相同時(shí)，剪切應(yīng)力均隨法向應(yīng)力的增加而明顯增大，σ=50kPa時(shí)，剪切應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)剪切位移約為3mm，而當(dāng)σ=200kPa和σ=300kPa時(shí)，剪切位移達(dá)到4mm停止剪切時(shí)，剪切應(yīng)力仍未達(dá)到峰值。

圖5(a)、(b)、(c)給出了不同粗糙程度結(jié)構(gòu)面的τf-σ關(guān)系曲線及其線性回歸曲線。圖5表明，對(duì)于不同粗糙程度的堿渣土—結(jié)構(gòu)接觸面，其剪切應(yīng)力均隨法向應(yīng)力的增加而明顯增大。對(duì)圖5中的試驗(yàn)曲線進(jìn)行了線性擬合，擬合曲線與試驗(yàn)曲線相似度非常高，擬合結(jié)果見(jiàn)表1。由表1看出，幾種土—結(jié)構(gòu)界面的剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力呈很好地線性相關(guān)，其擬合相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.996以上。因此，可以采用莫爾—庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則作為堿渣土與結(jié)構(gòu)接觸面的抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則：

τf=σtanφ+c

(1)

式中，c,φ可以認(rèn)為是界面的黏聚力和界面的摩擦角。

圖5(d)可見(jiàn)，同樣的法向應(yīng)力條件下，不同粗糙程度的接觸面的抗剪強(qiáng)度不同，隨著接觸面粗糙程度的加大，接觸面的抗剪強(qiáng)度隨之增加。

3.2 結(jié)構(gòu)面的粗糙程度

接觸面力學(xué)特性受結(jié)構(gòu)物表面的粗糙程度的影響較大。不同粗糙程度的土-結(jié)構(gòu)接觸面的剪切力學(xué)特性明顯不同[7]。由圖3可見(jiàn)，不同粗糙程度的接觸面的τ-ωs曲線形式是不同的，光滑接觸面的剪切力—剪切位移曲線呈現(xiàn)峰值型，而特別粗糙接觸面的剪切力—剪切位移曲線為雙曲線型。

光滑接觸面的剪應(yīng)力主要由堿渣土與結(jié)構(gòu)表面的結(jié)合力提供，隨著剪切位移的逐漸增大，剪切力達(dá)到峰值后，原有接觸面結(jié)構(gòu)破壞，堿渣土與結(jié)構(gòu)表面的結(jié)合力開(kāi)始減小，剪應(yīng)力隨之減小，所以剪切力—剪切位移曲線形成峰值。

粗糙接觸界面上的τ主要由兩部分組成[8]：首先是堿渣土與結(jié)構(gòu)表面的黏聚力；其次是結(jié)構(gòu)表面粗糙部分(如：凹槽)嵌填的堿渣土與界面上部堿渣土的相互錯(cuò)動(dòng)。隨著ωs的不斷增大，黏聚力達(dá)到峰值后開(kāi)始衰減，此時(shí)接觸面剪應(yīng)力主要由后者提供，由于粗糙接觸面的凹槽較深，堿渣土相互錯(cuò)動(dòng)提供的剪應(yīng)力較大，因此剪切力—剪切位移曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化的“雙曲線型”。

由表1可知，盡管表中τ-σ的關(guān)系式形式相同，但c,φ的值明顯不同，說(shuō)明接觸面粗糙度對(duì)接觸面的內(nèi)摩擦角和黏聚力有著一定的影響。

圖5 結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線及其擬合曲線

表2 接觸面黏聚力和內(nèi)摩擦角統(tǒng)計(jì)表

由表2可見(jiàn)，堿渣土—結(jié)構(gòu)接觸面的粗糙度對(duì)接觸面內(nèi)摩擦角的影響較小，而對(duì)接觸面的黏聚力的影響較大；主要原因可能是堿渣土與結(jié)構(gòu)接觸面的剪應(yīng)力的組成較為復(fù)雜，不僅有堿渣土與混凝土結(jié)構(gòu)表面的黏聚力，粗糙部分充嵌堿渣土與接觸面上部土體的錯(cuò)動(dòng)，堿渣土與結(jié)構(gòu)表面的摩擦力等。法向應(yīng)力和接觸面的粗糙度對(duì)它們的影響程度不同，因此接觸面的φ變化就沒(méi)有明顯規(guī)律性。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

(1)堿渣土-結(jié)構(gòu)接觸面上的法向應(yīng)力是影響接觸面力學(xué)特性的重要因素，對(duì)于同樣粗糙的堿渣土—結(jié)構(gòu)接觸面，其剪切強(qiáng)度隨著法向應(yīng)力的增加明顯增大。

(2)堿渣土-結(jié)構(gòu)接觸面的粗糙度對(duì)接觸面的黏聚力的影響較大，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小，主要原因在于堿渣土與不同粗糙程度的接觸面的剪應(yīng)力組成較為復(fù)雜，法向應(yīng)力和粗糙度對(duì)它們的影響程度不同造成的。

(3)本文研究的堿渣土中粉煤灰的取代率為20%，對(duì)于粉煤灰的取代率、剪切速率等因素對(duì)接觸面剪切力學(xué)特性的影響有待在今后進(jìn)行研究。

[1] 閆澍旺,侯晉芳,劉潤(rùn).堿渣與粉煤灰拌合物的巖土工程及環(huán)境特性研究[J].巖土力學(xué),2006(12): 2305-2308.

[2] 王芳,徐竹青,嚴(yán)麗雪,等.堿渣土工試驗(yàn)方法及其工程土特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2007(8): 1211-1214.

[3] 孫樹(shù)林,鄭青海,唐俊,等.堿渣改良膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2012(6):1608-1612.

[4] 冀國(guó)棟,楊春和,劉偉,等.粉煤灰增強(qiáng)回填堿渣工程特性的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2015(8): 2169-2176.

[5] 曹軍,張淵.工業(yè)堿渣的基本物理性質(zhì)研究[J].能源與環(huán)境,2013(5):13-14.

[6] 曹軍,蔣海斌,張淵.堿廠堿渣基本理化及工程性質(zhì)研究[J].鹽業(yè)與化工,2016(1):37-40.

[7] 夏紅春,周國(guó)慶.土-結(jié)構(gòu)接觸面剪切力學(xué)特性及其影響因素試驗(yàn)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010(6): 831-836.

[8] 李鍵.粗糙度對(duì)粘性土-混凝土結(jié)構(gòu)接觸面力學(xué)特性的影響[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2014.

(責(zé)任編輯：孫文彬)

Experimental Study on the Shear Mechanical Behavior of the Interfaces between Caustic Soil and Structure

WANG Cheng-wu1, ZHOU Jun-zhong2, ZHU Peng-yu1, ZHANG Yuan1

(1. Faculty of Architecture and Civil Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223001, China; 2. Zhongyijian Engineering Management Co. Ltd., Huai'an Jiangsu 223003, China)

Caustic Soil can be used as large-area backfill materials, but the theoretical study on interaction between caustic soil and structure lags is behind the engineering application. The improved direct shear apparatus is applied to the direct shear experiment on the caustic soil and three interfaces of different roughness. The findings show that the normal stress on the interface and the roughness have great effect on the shearing stress of interface and mechanical response. Mohr-Coulomb strength criterion can be employed to the caustic soil and structure interfaces. The roughness has less effect on the angle of internal friction while it has greater effect on cohesion.

caustic soil; interface; mechanical properties; experimental study

2016-07-23

王成武(1976-)，男，江蘇淮陰人，講師，碩士，主要從事巖土工程、建筑材料方面的教學(xué)與研究。

TU411

A

1009-7961(2016)05-0034-05